長(zhǎng)徑比對(duì)樁基端阻力和側(cè)摩阻力影響的數(shù)值模擬

史日磊 孫 超 郭浩天 周艷生

(吉林建筑大學(xué) 測(cè)繪與勘查工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118)

0 引言

樁基側(cè)阻力、端阻力協(xié)同工作機(jī)理是研究樁基承載性狀等的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1],為了最大程度發(fā)揮樁基阻力與端阻力協(xié)同工作的承載潛力,使其在滿足上部結(jié)構(gòu)要求和安全的前提下,能充分發(fā)揮二者的承載潛能,共同承擔(dān)上部荷載[2].文章通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析不同長(zhǎng)徑比條件下樁側(cè)摩阻力與樁端阻力在豎向荷載作用下的分布規(guī)律,找出在不同長(zhǎng)徑比條件下二者協(xié)同工作的規(guī)律,進(jìn)而為樁基設(shè)計(jì)提供參考.

1 樁側(cè)摩阻力與樁端阻力的數(shù)值模擬

1.1 模擬模型及參數(shù)選取

本次建模中,由于研究對(duì)象為軸對(duì)稱(chēng),故取其 1/2 建模分析.土體范圍:周?chē)馏w取樁徑的15倍值,并在樁端以下采取樁長(zhǎng)的1.5倍值,為簡(jiǎn)化過(guò)程分析,將樁所穿過(guò)土體假設(shè)為均質(zhì)土[3].模型坐標(biāo)的原點(diǎn)位于樁頂,樁土采用實(shí)體單元,并在樁土之間設(shè)置接觸面來(lái)模擬側(cè)摩阻力.

本次數(shù)值模擬使用摩爾-庫(kù)倫模型[4](Mohr-Coulomb Model),樁體計(jì)算采用各向同性彈性模型[5](Elastic)模擬時(shí)固定樁徑分別選取樁長(zhǎng)為20d(12m),30d(18m),40d(24m),50d(30m),進(jìn)行比較分析,加載方法為在樁頂上逐步施加荷載.

(1) 模型立體圖如圖1所示 ,模型正面圖如圖2所示

圖1 模型立體圖Fig.1 Model stereogram

圖2 模型正面圖Fig.2 Model front view

(2) 樁、土物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1

表1 樁、土物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical mechanical parameter for pile and soil

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 不同長(zhǎng)徑比條件下Q-S曲線分析

圖3 不同長(zhǎng)徑比條件下荷載-沉降曲線Fig.3 Load-settlemet curve under different ratios of the length to the diameter

樁的荷載-沉降曲線是研究樁體受力的一種重要形式[6],由此曲線可以得出樁在不同荷載下的沉降,并且能夠得到樁所能承受的極限荷載.荷載-沉降曲線如圖3所示.

圖3為不同長(zhǎng)徑比條件下的Q-S曲線圖,即在樁徑為600mm,取不同樁長(zhǎng)分別為12m(20d),18m(30d),24m(40d),30m(50d)條件下,得到的荷載-沉降關(guān)系圖.由此可以得出長(zhǎng)徑比越大,Q-S曲線的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載越大,同時(shí)長(zhǎng)徑比越大,樁身所能承受的荷載越大,且隨長(zhǎng)徑比的增加,在相同荷載條件下樁頂沉降減小明顯.所以增加樁長(zhǎng)能夠在一定程度上減少樁頂沉降，并且可以適當(dāng)?shù)靥岣邩兜某休d能力.

2.2 軸力分析

樁身軸力分析是研究樁荷載傳遞的重要方法[7],通過(guò)軸力曲線的分布可以定性地分析荷載在樁身的傳遞.圖4～圖7分別為不同樁長(zhǎng)時(shí)軸力沿樁身的變化曲線.

由圖4～圖7軸力沿樁身變化的曲線可以看出,樁身軸力在樁頂處最大,隨深度增加逐漸減小;樁身上部軸力衰減緩慢下部衰減明顯加快,且隨著樁長(zhǎng)的增加衰減越明顯[8].

圖4 12m樁長(zhǎng)軸力變化曲線Fig.4 Axial force curve of 12m pile

圖5 18m樁長(zhǎng)軸力變化曲線Fig.5 Axial force curve of 18m pile

圖6 24m樁長(zhǎng)軸力變化曲線Fig.6 Axial force curve of 24m pile

圖7 30m樁長(zhǎng)軸力變化曲線Fig.7 Axial force curve of 30m pile

2.3 樁側(cè)摩阻力分析

通過(guò)數(shù)值模擬分析得到不同長(zhǎng)徑比條件下樁側(cè)摩阻力沿樁身變化曲線圖如圖8～圖11所示.

圖8 12m樁長(zhǎng)側(cè)摩阻力變化曲線Fig.8 Lateral friction curve of 12m pile

圖9 18m樁長(zhǎng)側(cè)摩阻力變化曲線Fig.9 Lateral friction curve of 18m pile

圖10 24m樁長(zhǎng)側(cè)摩阻力變化曲線Fig.10 Lateral friction curve of 24m pile

圖11 30m樁長(zhǎng)側(cè)摩阻力變化曲線Fig.11 Lateral friction curve of 30m pile

由圖8～圖11可知,對(duì)于同一樁長(zhǎng)的單樁樁側(cè)摩阻力在土層分界處出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象.在不同荷載作用下,樁側(cè)阻力在樁同一位置處隨著荷載的增加而增加.對(duì)于不同長(zhǎng)徑比的單樁而言,當(dāng)樁頂荷載較小時(shí),長(zhǎng)徑比較小的單樁側(cè)摩阻力沿樁身變化不大,對(duì)于長(zhǎng)徑比較大的單樁而言,樁身下部的側(cè)摩阻力還未完全發(fā)揮.隨著樁頂荷載的增加,對(duì)于長(zhǎng)徑比較小的單樁而言,側(cè)摩阻力沿樁身接近線性分布,對(duì)于長(zhǎng)徑比較大的單樁而言,樁側(cè)摩阻力開(kāi)始出現(xiàn)傾斜彎曲,當(dāng)荷載接近極限時(shí),樁側(cè)摩阻力曲線接近于直線分布.同時(shí)我們還可以看出,長(zhǎng)徑比越大,樁身側(cè)摩阻力達(dá)到極限時(shí)所對(duì)應(yīng)的樁頂荷載越大.

2.4 樁側(cè)摩阻力、樁端阻力荷載分擔(dān)分析

樁端阻力與樁側(cè)摩阻力荷載分擔(dān)反映了樁承載力的發(fā)揮程度[9],通過(guò)數(shù)值模擬分析得到不同長(zhǎng)徑比條件下樁端阻力與樁側(cè)摩阻力荷載分擔(dān)曲線圖,如圖12～圖15所示.

圖12 12m樁長(zhǎng)荷載分擔(dān)曲線Fig.12 Load share curve of 12m pile

圖13 18m樁長(zhǎng)荷載分擔(dān)曲線Fig.13 Load share curve of 18m pile

圖14 24m樁長(zhǎng)荷載分擔(dān)曲線Fig.14 Load share curve of 24m pile

圖15 30m樁長(zhǎng)荷載分擔(dān)曲線Fig.15 Load share curve of 30m pile

由圖12～圖15分析可知,樁端阻力隨樁頂荷載的增加而緩慢增加,并且隨著樁長(zhǎng)的增加增長(zhǎng)趨于緩慢.對(duì)于不同長(zhǎng)徑比的單樁,隨著樁長(zhǎng)的增加,樁側(cè)摩阻力在樁同一位置處持續(xù)增加.當(dāng)荷載較小時(shí),荷載主要由側(cè)摩阻承擔(dān).隨著荷載增加,樁身下部側(cè)摩阻力開(kāi)始承擔(dān)荷載,此時(shí)樁側(cè)摩阻力進(jìn)一步發(fā)揮,樁端土層受到壓縮,樁端阻力產(chǎn)生.當(dāng)樁達(dá)到極限承載能力時(shí),樁側(cè)摩阻力也達(dá)到極限值,樁端阻力進(jìn)一步發(fā)揮,最終由樁端阻力與樁側(cè)摩阻力共同承擔(dān)荷載[10].

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

(1) 在不同長(zhǎng)徑比條件下,樁側(cè)摩阻力隨樁頂荷載的增加,接近呈線性關(guān)系.長(zhǎng)徑比越大,樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限時(shí)所施加的荷載越大,并且軸力衰減越快.

(2) 當(dāng)施加荷載較小時(shí),長(zhǎng)徑比較小的樁側(cè)摩阻力發(fā)揮程度要大于長(zhǎng)徑比較大的樁,并且隨著荷載的增加,樁側(cè)摩阻力由樁身自上而下逐步發(fā)揮.

(3) 當(dāng)有荷載作用時(shí),樁側(cè)摩阻力先承擔(dān)荷載發(fā)揮作用,后逐漸由樁端阻力分擔(dān),最終樁側(cè)摩阻力與樁端阻力共同承擔(dān)荷載.

3.2 建議

在樁基的設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意充分發(fā)揮樁側(cè)摩阻力與端阻力的潛能.相同條件下,可以適當(dāng)提高長(zhǎng)徑比,從而使樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限時(shí)承擔(dān)更多荷載.