變樁徑復(fù)合地基承載力發(fā)揮機(jī)制的數(shù)值分析

張四化 ，張馨月 ，劉云龍 ，吳軼彬

（1.鄭州大學(xué)綜合設(shè)計(jì)研究院，河南鄭州 450001；2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州 450001；3.中國二冶集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014020）

0 引言

由于上部結(jié)構(gòu)施加荷載不同和施工區(qū)域地質(zhì)條件的差異，通常對復(fù)合地基的剛度進(jìn)行調(diào)整。鄭俊杰[1-2]、鄭剛[3-4]、郭院成[5-7]等研究學(xué)者們通過改變復(fù)合地基剛度分布方式來進(jìn)行研究。

張建輝[8]、林智勇[9]、朱葉[10]等學(xué)者已進(jìn)行了相關(guān)的研究，但針對變樁徑平面變剛度復(fù)合地基承載力發(fā)揮機(jī)制研究并未進(jìn)行詳細(xì)研究。本文運(yùn)用ABAQUS 對其承載力發(fā)揮機(jī)制問題進(jìn)行研究。

1 數(shù)值模擬分析

目前對于長短樁復(fù)合地基課題的研究，數(shù)值模擬是其中一種研究手段，針對數(shù)值模擬研究方法，復(fù)合地基土體采用Mohr-Coulomb 模型居多。針對接觸面設(shè)置來說，一般通過罰函數(shù)參數(shù)設(shè)置達(dá)到樁土接觸面為彈塑性模型的效果，對于樁土接觸面為軟化模型等其他模型時(shí)，則需要運(yùn)用ABAQUS 軟件編輯相關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)。

1.1 三維有限元模型

1.1.1 基本假定

為了簡化計(jì)算和分析，則在建立有限元模型時(shí)作出以下假設(shè)：采用剛性承臺(tái)板，認(rèn)為承臺(tái)板頂部荷載均勻分布；地基土體為均質(zhì)、各向同性彈塑性連續(xù)體；且在荷載作用下，樁與樁周土之間考慮產(chǎn)生相對滑動(dòng)。

1.1.2 幾何建模

選取16 樁為一個(gè)計(jì)算單元并采用相同的應(yīng)力邊界條件進(jìn)行1:1 建模，三維建模如圖1 所示，并對其他4 組進(jìn)行建模計(jì)算，分組建模表如表1 所示。

圖1 有限元模型

1.1.3 材料參數(shù)

樁間土體參數(shù)依據(jù)鄭州地區(qū)粉土、粉砂土性特征選取，選用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型[11]，模型材料參數(shù)參考文獻(xiàn)郭院成、張四化[6]，如表 2 所示。

1.1.4 摩擦模型和邊界條件

對于樁土界面特性影響因素研究，牟洋洋[12]、占川[13]等對樁土界面進(jìn)行分析時(shí)均采用了理想彈塑性模型。所建模型中土體、樁體、褥墊層及承臺(tái)板之間的表面接觸采用摩擦接觸，法向采用硬接觸，對于接觸面的切向力學(xué)行為默認(rèn)用摩擦模型模擬。

表1 分組建模

表2 材料物理性質(zhì)

表3 發(fā)揮度系數(shù)匯總

ABAQUS 中計(jì)算極限剪應(yīng)力方法為庫倫定律，計(jì)算公式為：τcrit=p×μ（p：法向接觸應(yīng)力；μ：接觸面上的摩擦系數(shù)），這里通過ABAQUS 設(shè)置摩擦系數(shù)為tan（0.75φ）來定義，φ 為土體的內(nèi)摩擦角[14-16]。

設(shè)置模型土體邊界條件，兩個(gè)側(cè)面約束法向方向位移，且在兩個(gè)對稱面上采用對稱邊界條件，底面約束XYZ 三個(gè)方向的位移，土體頂面為自由面。

分為11 級(jí)進(jìn)行，其中第1、2 級(jí)荷載加載皆為31.15kPa，其他9 級(jí)每級(jí)加載62.3kN。

1.2 承載性狀及發(fā)揮機(jī)制（見圖2）

圖 2（a）是變剛度樁樁徑分別為 I、III、V 三組復(fù)合地基沉降對比圖，由圖可知，樁徑從第I 組的400mm 減小到從第V 組240mm 時(shí)，即樁徑減小了原來的40%，復(fù)合地基在上部額定荷載623kPa 作用下沉降增加5.9%，在此種加載水平下，變樁徑平面變剛度復(fù)合地基總能滿足正常使用極限狀態(tài)要求。

通過以上分析，在特定工況下，在沉降允許范圍內(nèi)選擇合適的樁徑不僅提高工程時(shí)間效益，更能提高工程中的經(jīng)濟(jì)效益。

由圖2（b）～（d）可知，變剛度樁樁徑減小，則荷載更多地轉(zhuǎn)移給較大直徑樁，因此較大直徑樁荷載分擔(dān)比增大，土體荷載分擔(dān)比減小，但變剛度樁因刺入褥墊層較深而增加了應(yīng)力集中。復(fù)合地基中樁體、土體之間進(jìn)行相互協(xié)調(diào)，共同維持力的平衡。

圖2 中（e）可知，在額定荷載10085.92kN 作用下，隨著變剛度樁樁徑減小，從而樁側(cè)摩阻力減小，且呈現(xiàn)變剛度樁的中性點(diǎn)向樁端方向移動(dòng)的規(guī)律。

由表3 樁、土承載力發(fā)揮度系數(shù)，對比第I 組、第V 組結(jié)果可知，第I 組復(fù)合地基厚徑比為0.5 時(shí)，變剛度樁的承載力發(fā)揮度為0.45；第V 組模型計(jì)算結(jié)果顯示，比第I 組提高17.7%，且常規(guī)樁提高11.1%，相應(yīng)的土體的承載力提高6.74%，這是由于常規(guī)樁樁以及土體承擔(dān)了更多的荷載，使得常規(guī)樁和樁間土得到更好的發(fā)揮。

圖2 相關(guān)規(guī)律結(jié)果對比

2 結(jié)論

主要結(jié)論如下：

（1）平面變剛度復(fù)合地基在增加較小的沉降時(shí)有效減小變剛度樁樁徑，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。

（2）正常使用荷載作用下，在滿足上部承載力以及沉降允許范圍內(nèi)，減小一定的變剛度樁樁徑能更加充分地發(fā)揮樁和樁間土的承載能力，實(shí)現(xiàn)提高工程經(jīng)濟(jì)效益，優(yōu)化復(fù)合地基設(shè)計(jì)方案的目標(biāo)。