基于ABAQUS的管樁樁身側(cè)摩阻力分布的數(shù)值模擬研究

王雷

摘 要：運(yùn)用ABAQUS軟件，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證有限元模型，研究不同地層結(jié)構(gòu)對(duì)樁側(cè)摩阻力和承載力性狀的影響。通過有效性驗(yàn)證的有限元模型，通過模擬上述三種不同樁徑分別對(duì)應(yīng)三種不同地層結(jié)構(gòu)的9種工況，ABAQUS有限元模擬軟件在一定程度上能夠代替現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，能夠探究出，管樁在不同地層結(jié)構(gòu)條件下的一般規(guī)律。為工程實(shí)踐提供一定的指導(dǎo)意義。土層中間夾有軟弱土層的地層結(jié)構(gòu)，承載能力更低，樁身側(cè)摩阻力更小。相比較土層中間夾有細(xì)砂與土層中間夾有帶有更大粘聚力的砂質(zhì)黏性土的地層結(jié)構(gòu)，帶有粘聚力的砂質(zhì)黏性土的地層結(jié)構(gòu)承載能力更好，提供的樁身側(cè)摩阻力更大。

關(guān)鍵詞：地層結(jié)構(gòu);管樁;ABAQUS

0 引言

現(xiàn)階段已經(jīng)有非常多的現(xiàn)場(chǎng)試樁的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也有很多在樁身貼了應(yīng)力應(yīng)變片從而進(jìn)行樁體的內(nèi)力試驗(yàn)。運(yùn)用應(yīng)力應(yīng)變片可以測(cè)得數(shù)據(jù)并經(jīng)過換算得到樁身的內(nèi)力，經(jīng)過計(jì)算可將樁身軸力換算成樁身的側(cè)摩阻力。值得一提的是，這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析目前僅僅停留在求得側(cè)摩阻力分布曲線的層面。也只適用于一般的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)，或者進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)。由于場(chǎng)地、儀器、節(jié)省資金等條件，甚至在現(xiàn)場(chǎng)加載時(shí)只加載到設(shè)計(jì)承載力，并沒有使樁失效破壞，往往使數(shù)據(jù)不夠完整，不利于理論上的研究。所以，為了能夠便于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，使得不同材料特征和不同地層結(jié)構(gòu)條件以及樁身不同的尺寸大小的分析解讀能夠反映出哪些影響側(cè)摩阻力取值規(guī)律的因素，有需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所計(jì)算出的側(cè)摩阻力值進(jìn)行更加深入、盡可能徹底地分析。更進(jìn)一步的做判斷，就是需要對(duì)影響側(cè)摩阻力大小的原因做出猜想和判斷，才能了解不同土層條件下側(cè)摩阻力受到側(cè)向土壓力的影響大小、不同地層結(jié)構(gòu)條件下對(duì)樁側(cè)摩阻力發(fā)揮趨勢(shì)變化等一系列信息。筆者將對(duì)如何建立上述分析體系、如何完成猜想得到目標(biāo)結(jié)果、如何通過該方法進(jìn)行研究，進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

1 PHC管樁的有限元工況選擇和參數(shù)取值

1.1 PHC管樁有限元模擬工況選擇

為研究PHC管樁在不同地層結(jié)構(gòu)條件下和不同樁徑條件下對(duì)側(cè)摩阻力的影響，根據(jù)實(shí)際工況1-1設(shè)計(jì)出其余8種不同工況，分別取樁徑0.4 m、0.8 m、1.0 m對(duì)于下面三種不同地層結(jié)構(gòu)（如圖1所示）對(duì)應(yīng)工況1-2工況1-3工況2-1工況2-2工況2-3工況3-1工況3-2工況3-3進(jìn)行模擬分析。

1.2 PHC管樁有限元模擬參數(shù)選擇

通過試算珠海市保稅區(qū)某工程現(xiàn)場(chǎng)試樁，采用迭代法試算調(diào)整獲得有限元模擬土層計(jì)算參數(shù)如表1所示，有限元模擬樁身參數(shù)如表2所示。數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)果較為吻合，故采用此樁土模型模擬可預(yù)估管樁承載力，能夠?qū)痘こ踢M(jìn)行分析優(yōu)化。

2 有限元模型分析

根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，分別在樁頂施加大小為20 000 kN的豎向荷載，用于求得極限荷載狀態(tài)下的樁頂荷載-樁頂沉降曲線、軸力曲線、樁側(cè)摩阻力分布曲線、樁身側(cè)壓力曲線。各工況如表3所示。

通過模擬計(jì)算得出相應(yīng)工況的應(yīng)力云圖、位移云圖。

2.1 PHC樁-土有限元模型Q-S曲線分析

根據(jù)樁徑為0.4 m的不同地層結(jié)構(gòu)工況Q-S對(duì)比所示，可以發(fā)現(xiàn)在樁徑同為0.4 m時(shí)，工況1-1的極限承載力為3 000 kN，所對(duì)應(yīng)的樁頂沉降為98 mm;工況1-2的極限承載力為6 928 kN，所對(duì)應(yīng)樁頂沉降為162 mm;工況1-3的極限承載力為7 240 kN，所對(duì)應(yīng)的樁頂沉降為156 mm。相比較工況1-1，工況1-2極限承載力提升了56.70%，工況1-3極限承載力提升了58.56%。

由此，三種工況第三層土中，淤泥層、細(xì)砂層、砂質(zhì)黏性土層相互置換比較，發(fā)現(xiàn)工況1-1（淤泥層）承載能力最差，提供的側(cè)摩阻力最低，且相同樁頂荷載情況下樁頂沉降更大;工況1-3（砂質(zhì)黏性土）的承載能力比工況1-2（細(xì)砂層）的承載能力更好，這是由于砂質(zhì)黏性土相比細(xì)砂擁有一定粘聚力，因此能更好的發(fā)揮側(cè)摩阻力。

根據(jù)樁徑為0.8 m的不同地層結(jié)構(gòu)工況Q-S對(duì)比所示，可以發(fā)現(xiàn)在樁徑同為0.8 m時(shí)，工況2-1的極限承載力為6 056 kN，所對(duì)應(yīng)樁頂沉降為150 mm;工況2-2的極限承載力為11 460 kN，所對(duì)應(yīng)的樁頂沉降為211 mm;工況2-3的極限承載力為11 850 kN，所對(duì)應(yīng)樁頂沉降為208 mm。相比較工況2-1，工況2-2極限承載力提升了47.16%，工況2-3極限承載力提升了48.89%。

由此，三種工況第三層土中，淤泥層、細(xì)砂層、砂質(zhì)黏性土層相互置換比較，發(fā)現(xiàn)工況2-1（淤泥層）承載能力最差，提供的側(cè)摩阻力最低，且相同樁頂荷載情況下樁頂沉降更大;工況2-3（砂質(zhì)黏性土）的承載能力比工況2-2（細(xì)砂層）的承載能力更好，這是由于砂質(zhì)黏性土相比細(xì)砂擁有一定粘聚力，因此能更好的發(fā)揮側(cè)摩阻力。

根據(jù)樁徑為1.0 m的不同地層結(jié)構(gòu)工況Q-S對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)在樁徑同為1.0 m時(shí)，工況3-1的極限承載力為8 000 kN，所對(duì)應(yīng)樁頂沉降為254 mm;工況3-2的極限承載力為14 637 kN，所對(duì)應(yīng)的樁頂沉降為428 mm;工況3-3的極限承載力為15 614 kN，所對(duì)應(yīng)樁頂沉降為417 mm。相比較工況3-1，工況3-2極限承載力提升了45.34%，工況3-3極限承載力提升了48.76%。

由此，三種工況第三層土中，淤泥層、細(xì)砂層、砂質(zhì)黏性土層相互置換比較，發(fā)現(xiàn)工況3-1（淤泥層）承載能力最差，提供的側(cè)摩阻力最低，且相同樁頂荷載情況下樁頂沉降更大;工況3-3（砂質(zhì)黏性土）的承載能力比工況3-2（細(xì)砂層）的承載能力更好，這是由于砂質(zhì)黏性土相比細(xì)砂擁有一定粘聚力，因此能更好的發(fā)揮側(cè)摩阻力。

根據(jù)地層結(jié)構(gòu)1的不同樁徑工況Q-S對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)同為地層結(jié)構(gòu)1時(shí)，相比較工況1-1，工況2-1的極限承載力提升了50.46%，工況3-1的極限承載力提升了62.5%。

根據(jù)地層結(jié)構(gòu)2的不同樁徑工況Q-S對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)同為地層結(jié)構(gòu)2時(shí)，相比較工況1-2，工況2-2的極限承載力提升了39.55%，工況3-2的極限承載力提升了52.67%。

根據(jù)地層結(jié)構(gòu)3的不同樁徑工況Q-S對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)同為地層結(jié)構(gòu)3時(shí)，相比較工況1-3，工況2-3的極限承載力提升了38.90%，工況3-3的極限承載力提升了53.63%。

由此，地層結(jié)構(gòu)1（淤泥層）時(shí)增大樁徑比地層結(jié)構(gòu)2（細(xì)砂）和地層結(jié)構(gòu)3（砂質(zhì)黏性土）增大樁徑提升的承載能力更多。軟土層增大樁徑對(duì)側(cè)摩阻力的影響更大。

2.2 PHC樁-土有限元模型樁身側(cè)摩阻力分布圖分析

根據(jù)工況1-1樁身側(cè)摩阻力分布所示，從側(cè)摩阻力分布曲線可見，不同深度地層的側(cè)摩阻力皆隨著深度增加而增大，且下部地層滯后于上部地層發(fā)揮，10.2 m～11.8 m處由于地層由淤泥變?yōu)榧?xì)砂，地層強(qiáng)度增大，側(cè)摩阻力值突然增大，11.8 m以下地層又變?yōu)橛倌啵瑯秱?cè)摩阻力又迅速減小，40.7 m處地層為砂質(zhì)黏性土，地層強(qiáng)度變大，樁側(cè)摩阻力又急劇升高，48 m處側(cè)摩阻力急劇減小，隨樁頂荷載逐漸接近極限荷載，側(cè)摩阻力逐步增到最大，這是由于端部土層破壞迅速刺入持力層，導(dǎo)致的側(cè)摩阻力瞬間變大。在地層結(jié)構(gòu)為弱-強(qiáng)-弱-強(qiáng)多種地層的共同作用下，造就了這種側(cè)摩阻力分布形式。

根據(jù)工況1-2樁身側(cè)摩阻力分布所示，從側(cè)摩阻力分布曲線可見，不同深度地層的側(cè)摩阻力皆隨著深度增加而增大，且下部地層滯后于上部地層發(fā)揮，10.2 m處由于地層由淤泥變?yōu)榧?xì)砂，側(cè)摩阻力顯著提升中部略有下降，40.7 m處略有提升中部略有下降，48 m處側(cè)摩阻力急劇減小，隨樁頂荷載逐漸接近極限荷載，側(cè)摩阻力逐步增到最大，這是由于端部土層破壞迅速刺入持力層，導(dǎo)致的側(cè)摩阻力瞬間變大。在地層結(jié)構(gòu)為弱-強(qiáng)-強(qiáng)多種地層的共同作用下，造就了這種側(cè)摩阻力分布形式。

根據(jù)工況1-3樁身側(cè)摩阻力分布所示，從側(cè)摩阻力分布曲線可見，不同深度地層的側(cè)摩阻力皆隨著深度增加而增大，且下部地層滯后于上部地層發(fā)揮，10.2 m處由于地層由淤泥變?yōu)榧?xì)砂，從側(cè)摩阻力顯著提高，11.8 m處地層變?yōu)樯百|(zhì)黏性土側(cè)摩阻力略微提高隨后中部略有下降，48 m處側(cè)摩阻力急劇減小，隨樁頂荷載逐漸接近極限荷載，側(cè)摩阻力逐步增到最大，這是由于端部土層破壞迅速刺入持力層，導(dǎo)致的側(cè)摩阻力瞬間變大。在地層結(jié)構(gòu)為弱-強(qiáng)-強(qiáng)多種地層的共同作用下，造就了這種側(cè)摩阻力分布形式。

根據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同樁徑，其樁身側(cè)摩阻力分布曲線規(guī)律同工況1-1、工況1-2、工況1-3一致。

3 結(jié)論

（1）通過有效性驗(yàn)證的有限元模型，通過模擬上述三種不同樁徑分別對(duì)應(yīng)三種不同地層結(jié)構(gòu)的9種工況，ABAQUS有限元模擬軟件在一定程度上能夠代替現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，能夠探究出管樁在不同地層結(jié)構(gòu)條件下的一般規(guī)律。為工程實(shí)踐提供一定的指導(dǎo)意義。

（2）土層中間夾有軟弱土層的地層結(jié)構(gòu)，承載能力更低，側(cè)摩阻力更小。

（3）相比較土層中間夾有細(xì)砂與土層中間夾有帶有更大粘聚力的砂質(zhì)黏性土的地層結(jié)構(gòu)，帶有粘聚力的砂質(zhì)黏性土的地層結(jié)構(gòu)承載能力更好，提供的側(cè)摩阻力更大。

（4）持力層為砂質(zhì)黏性土?xí)r管樁不管樁徑如何都為摩擦型管樁，側(cè)摩阻力分布在樁頂荷載接近極限承載力時(shí)樁端處側(cè)摩阻力會(huì)急增。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙儉斌，王志斌，史永強(qiáng).靜壓PHC管樁群樁效應(yīng)的數(shù)值模擬分析[J].工程力學(xué)，2014（S1）：139-144.

[2]馬利耕.開口型預(yù)應(yīng)力混凝土管樁豎向承載力分析[D].哈爾濱工程大學(xué)，2009.

[3]張忠苗，喻君，張廣興，等.PHC管樁和預(yù)制方樁受力性狀試驗(yàn)對(duì)比分析[J].巖土力學(xué)，2008（11）：3059-3065.

[4]王文.樁基埋管對(duì)樁承載特性的影響研究[D].山東建筑大學(xué)，2010.

[5]張芳芳.增強(qiáng)型預(yù)應(yīng)力管樁單樁抗拔承載機(jī)理的研究[D].太原理工大學(xué)，2010.

[6]黃瑜明.竹節(jié)型管樁抗拔承載性狀模型試驗(yàn)研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2015.

[7]郎瑞卿，陳昆，閆澍旺，等.PTC管樁豎向承載性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017（10）：62-69.