小型預(yù)制樁基礎(chǔ)承載特性數(shù)值模擬研究

劉 暢，楊天恩，曹子祥

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州，225127）

小型樁是我國(guó)近年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的一種新型樁基礎(chǔ)，主要被應(yīng)用于舊房改造、房屋加固、防洪堤壩加固、建筑物加固防震、礦井等煤礦構(gòu)筑物設(shè)計(jì)、鐵塔抵抗交替荷載的基礎(chǔ)、邊坡加固等工程之中[1-4]。對(duì)于樁基礎(chǔ)承載力方面的研究，國(guó)內(nèi)外的很多學(xué)者都做了大膽的探索。Shanker K 等[5]根據(jù)模型試驗(yàn)的結(jié)果，提出了能夠在砂類(lèi)土中預(yù)測(cè)抗拔樁的極限承載能力的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停会B建俊等[6]利用了極限平衡法，在假設(shè)滑移面為冪函數(shù)形式的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了分層地基中極限承載力的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序的發(fā)展，也有很多學(xué)者采用了數(shù)值模擬的研究方法來(lái)探究樁基礎(chǔ)的承載特性，黃茂松等[7]利用了有限元的計(jì)算方法，提出了適用于不同樁長(zhǎng)的擴(kuò)底抗拔樁的極限承載力的統(tǒng)一計(jì)算模式。但是在目前已有的研究中，針對(duì)小型預(yù)制樁基礎(chǔ)的研究較少，尤其是利用數(shù)值模擬計(jì)算方法進(jìn)行的在軟土地基中小型預(yù)制樁基礎(chǔ)承載特性的相關(guān)研究更是不多。

本文建立硬化土本構(gòu)模型，針對(duì)江蘇省軟土地區(qū)的土質(zhì)條件選取數(shù)值模擬的計(jì)算參數(shù)，通過(guò)PLAXIS 2D 軟件對(duì)小型預(yù)制樁基礎(chǔ)的單樁水平受荷及豎向受荷情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到樁身彎矩沿樁長(zhǎng)的分布以及樁頂荷載- 位移曲線，分析小型預(yù)制樁基礎(chǔ)樁身彎矩的分布特點(diǎn)，并探求其在水平及豎向荷載作用下的承載特性，進(jìn)而能夠?yàn)樾⌒皖A(yù)制樁基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)以及計(jì)算方面提供一定的參考依據(jù)。

1 數(shù)值模型的建立及參數(shù)確定

1.1 硬化土（Hardening Soil）本構(gòu)模型特性

Hardening Soil（HS）模型屬于塑性模型，由Schanz 提出，可以很好地反映土體的壓縮硬化和剪切硬化，同時(shí)能夠更加全面和準(zhǔn)確地反映小型預(yù)制樁基礎(chǔ)的承載特性。HS 模型的三軸排水試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖1 所示，HS 模型的主應(yīng)力空間屈服面如圖2 所示。從圖1 和圖2 中可以得知，與Mohr-Coulomb（MC）模型相比，HS 模型改進(jìn)增加了帽蓋屈服面，可以考慮到土體應(yīng)變對(duì)其的影響及屈服面的多軸膨脹。

圖1 三軸排水試驗(yàn)應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系（Brinkgreve）

圖2 HS 模型主應(yīng)力空間屈服面（Brinkgreve）

1.2 不同土類(lèi)HS 本構(gòu)模型參數(shù)的確定

根據(jù)江蘇省軟土地區(qū)工程地質(zhì)報(bào)告及公路勘察設(shè)計(jì)資料，選取江蘇省軟土地區(qū)共四種典型土體，分析研究不同的土體類(lèi)型中，小型預(yù)制混凝土管樁基礎(chǔ)承載特性的影響[8]。不同土類(lèi)的HS 本構(gòu)模型參數(shù)計(jì)算取值如表1 所示。

表1 不同土類(lèi)HS 本構(gòu)模型參數(shù)取值

結(jié)合江蘇省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)站的（2012）《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》中可供選擇的小型預(yù)制混凝土樁的相應(yīng)參數(shù)，選取得到樁的基本計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 樁體材料基本計(jì)算參數(shù)

1.3 HS 模型的建立

為了研究小型預(yù)制樁基礎(chǔ)的承載特性，利用PLAXIS 2D 有限元軟件建立如下數(shù)值模型：假設(shè)地下水位位于地表，因?yàn)橥馏w是飽和土，所以排水類(lèi)型選用不排水A，從而使用有效剛度以及有效強(qiáng)度參數(shù)來(lái)模擬不排水行為[9-10]。樁體材料設(shè)置采用各向同性彈性模型，土體則是硬化土塑性模型。樁土間的相互作用屬性選用“土層相關(guān)”，這樣，在PLAXIS 有限元計(jì)算中便可將局部側(cè)摩阻力與樁身所在土層的強(qiáng)度參數(shù)和在土層材料數(shù)據(jù)組中定義的界面強(qiáng)度折減系數(shù)相聯(lián)系起來(lái)。具體幾何模型及網(wǎng)格劃分示意圖如圖3 所示。

圖3 幾何模型及網(wǎng)格劃分示意圖，單位mm

2 小型預(yù)制樁基礎(chǔ)受力分析

2.1 水平荷載

樁徑為0.3m，樁長(zhǎng)為10m 小型預(yù)制混凝土管樁，樁頂轉(zhuǎn)角約束時(shí)，計(jì)算分析了不同類(lèi)型土質(zhì)條件下，樁身彎矩沿樁長(zhǎng)分布圖，如圖4（a）～（d）所示。

圖4 不同類(lèi)型土對(duì)樁身彎矩分布影響

從圖4（a）～（d）中可以看出，對(duì)于樁頂轉(zhuǎn)角約束時(shí)，不同的樁頂水平位移條件下，樁身彎矩的分布規(guī)律基本相同，樁頂彎矩最大，在距樁頂2.5 米左右的深度處，彎矩值達(dá)到零，而在距樁頂?shù)木嚯x大于2.5 米時(shí)深度范圍內(nèi)，樁身均存在與樁頂范圍內(nèi)彎矩方向相反的彎矩分布區(qū)，該彎矩在小型預(yù)制樁設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行樁身抗彎能力的復(fù)核。

同時(shí)從圖4 中也可以看出，隨著樁周土體的土性參數(shù)的變好，在相同樁頂水平位移作用下，樁身所承擔(dān)的彎矩變大，不同土體類(lèi)型按照承載力由弱至強(qiáng)的順序排序?yàn)椋河倌啵圪|(zhì)粘土，粉質(zhì)粘土夾粉砂和粘性土粉砂。

2.2 豎向荷載

在樁頂施加下壓位移時(shí)，不同類(lèi)型土體樁頂豎向下壓和上拔荷載與豎向位移關(guān)系曲線分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 不同類(lèi)型土樁頂下壓荷載與位移關(guān)系曲線

圖6 不同類(lèi)型土樁頂上拔荷載與位移關(guān)系曲線

從圖5 可以看出，小型預(yù)制樁的下壓荷載-豎向位移曲線為緩變型，這是由于在加載的過(guò)程中，樁周土的側(cè)摩阻力和樁端反力逐漸發(fā)揮作用，沉降的增長(zhǎng)趨于穩(wěn)定。但隨著樁周土的塑性區(qū)范圍的擴(kuò)大，其塑性沉降量逐漸增加，直到樁周土發(fā)生剪切破壞。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，這類(lèi)樁可以通過(guò)控制允許的沉降值大小來(lái)控制其極限承載力。

從圖6 可以看出，小型預(yù)制樁的上拔荷載-豎向位移曲線為陡升型，這是由于在上拔荷載施加的過(guò)程中，受荷初期，樁周土的側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮作用，位移幾乎呈線性增長(zhǎng)，但是因?yàn)椴淮嬖跇抖朔戳Φ淖饔?，?dǎo)致土體一旦發(fā)生破壞，位移會(huì)迅速增加。

由圖5 和圖6 可知，對(duì)比下壓荷載及上拔荷載關(guān)系曲線則可以看出，樁的下壓極限承載力要大于上拔極限承載力，這是由于存在樁端反力的作用。同時(shí)也可以看出，隨著樁周土體的性能參數(shù)變好，樁土豎向剛度和樁身極限承載能力均會(huì)有所提高。

3 結(jié)論

本文通過(guò)PLAXIS 2D 軟件對(duì)小型預(yù)制樁在的單樁水平受荷及豎向受荷進(jìn)行數(shù)值模擬，得到樁身彎矩沿樁長(zhǎng)的分布以及荷載- 位移曲線，分析小型預(yù)制樁基礎(chǔ)樁身彎矩的分布特點(diǎn)，并探求其在水平及豎向荷載作用下的承載特性，主要得出以下結(jié)論：

（1）不同的樁頂水平位移條件下，樁身彎矩的分布規(guī)律基本相同，樁頂彎矩最大，在距樁頂2.5米左右的深度處，彎矩值達(dá)到零，而在距樁頂?shù)木嚯x大于2.5 米時(shí)深度范圍內(nèi)，樁身均存在與樁頂范圍內(nèi)彎矩方向相反的彎矩分布區(qū)，該彎矩在小型預(yù)制樁設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行樁身抗彎能力的復(fù)核。

（2）隨著樁周土體的土性參數(shù)的變好，在相同樁頂水平位移作用下，樁身所承擔(dān)的彎矩變大，不同土體類(lèi)型按照承載力由弱至強(qiáng)的順序排序?yàn)椋河倌啵圪|(zhì)粘土，粉質(zhì)粘土夾粉砂和粘性土粉砂。

（3）小型預(yù)制樁的下壓荷載- 豎向位移曲線為緩變型，上拔荷載- 豎向位移曲線為陡升型，樁的下壓極限承載力要大于上拔極限承載力。