根式基礎(chǔ)抗壓承載機(jī)制數(shù)值模擬研究

朱 昊

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年來,我國(guó)交通事業(yè)飛速發(fā)展,跨江、跨河的橋梁建設(shè)越來越多。而我國(guó)江河流域的橋梁大多處于深厚覆蓋層地區(qū),地基土體承載力低,傳統(tǒng)的普通樁基礎(chǔ)在該類地基下樁-土共同作用發(fā)揮效率低,須嵌巖才能達(dá)到承載力要求。殷永高[1]針對(duì)傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)的不足之處提出根式基礎(chǔ)的概念,根式基礎(chǔ)是在沉井基礎(chǔ)中預(yù)留頂推孔,待沉井下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高后再向土層中頂推預(yù)制的根鍵,將根鍵與沉井固結(jié)后,形成根式基礎(chǔ)。龔維明等[2]以馬鞍山長(zhǎng)江大橋?yàn)楸尘?開展了根式基礎(chǔ)的豎向承載力試驗(yàn)研究,得出根式基礎(chǔ)在以砂土層和卵石層作為持力層時(shí),其豎向極限承載力較之于普通樁基礎(chǔ)分別提高了約100%和63%。

本文所研究的通過數(shù)值模擬方法分析根式基礎(chǔ)與普通樁基礎(chǔ)在荷載作用下樁身各部位的承載占比。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型建立及本構(gòu)關(guān)系

本文根式基礎(chǔ)和普通樁基礎(chǔ)采用相同數(shù)值網(wǎng)格模型,如圖1所示。樁長(zhǎng)30.0 m,樁徑2.5 m,根鍵外露1.0 m,寬0.5 m,高0.5 m。土體長(zhǎng)80 m,寬80 m,高80 m。網(wǎng)格沿豎直方向均勻劃分,其中樁段每0.25 m高度劃分一層單元。本次模擬中對(duì)模型四周的法向方向進(jìn)行約束,在模型的底面對(duì)三個(gè)方向進(jìn)行約束,作為本次模擬的邊界條件。土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型,樁體采用Elastic彈性本構(gòu)模型,接觸面單元采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。普通樁在樁底和樁側(cè)面建立獨(dú)立的兩接觸面,避免出現(xiàn)樁底和樁側(cè)面接觸面接觸面節(jié)點(diǎn)融合導(dǎo)致受力與實(shí)際不相符[3]。根式基礎(chǔ)除樁底和樁側(cè)面外,在根鍵處另建一接觸面。

圖1 FLAC 3D數(shù)值網(wǎng)格模型

1.2 材料參數(shù)取值

材料參數(shù)見表1。接觸面參數(shù)取值:接觸面法向剛度與切向剛度取1.6 GPa,摩擦角取14°,黏聚力取1 kPa。

表1 土體與樁參數(shù)表

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 根式基礎(chǔ)與普通樁Q-s曲線對(duì)比分析

根式基礎(chǔ)與普通樁Q-s曲線如圖2所示。在分級(jí)荷載作用下,普通樁Q-s曲線在荷載達(dá)到11 000 kN時(shí)產(chǎn)生明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn),而根式基礎(chǔ)Q-s曲線在荷載達(dá)35 000 kN時(shí)才產(chǎn)生明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)。對(duì)比普通樁基礎(chǔ),根式基礎(chǔ)的極限承載力提高了218%。

圖2 根式基礎(chǔ)與普通樁Q-s曲線

2.2 根式基礎(chǔ)與普通樁各部位分擔(dān)荷載對(duì)比

FLAC 3D通過接觸面模擬樁土的接觸問題,接觸面單元由一系列三節(jié)點(diǎn)的三角形單元構(gòu)成,接觸面單元將三角形面積分配給各個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)接觸節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)相關(guān)的表示面積。接觸面節(jié)點(diǎn)相關(guān)面積的分布如圖3所示。FLAC 3D通過接觸面節(jié)點(diǎn)和實(shí)體單元表面之間建立聯(lián)系。接觸面法向方向所受到的力由目標(biāo)面方向所決定,切向方向所受到的力分為三個(gè)矢量方向[4]。

圖3 接觸面節(jié)點(diǎn)相關(guān)面積的分布

樁身在荷載作用下,由接觸面將荷載傳遞給周圍土體,因此通過將接觸面的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力(軸向方向)乘以相應(yīng)面積即可得到端阻力和側(cè)摩阻力。本文對(duì)普通樁的樁端阻力和樁側(cè)摩阻力進(jìn)行了計(jì)算,根式基礎(chǔ)除上述外還計(jì)算了根鍵端阻力和根鍵側(cè)摩阻力。計(jì)算端阻力和側(cè)摩阻力所用的公式如下：

(1)

(2)

式中:Qp為端阻力;qPi為第i號(hào)接觸面節(jié)點(diǎn)的法向應(yīng)力;APi為第i號(hào)接觸面節(jié)點(diǎn)的面積;QS為側(cè)摩阻力;qSi為第i號(hào)接觸面節(jié)點(diǎn)的切向應(yīng)力(樁軸向方向);ASi為第i號(hào)接觸面節(jié)點(diǎn)的面積。

普通樁基礎(chǔ)和根式基礎(chǔ)的各部位承擔(dān)荷載占比如圖4和圖5所示。

圖4 根式基礎(chǔ)各部位承擔(dān)荷載占比

圖5 普通樁基礎(chǔ)各部位承擔(dān)荷載占比

從圖4和圖5可以看出,普通樁基礎(chǔ)在樁達(dá)到極限承載力前,主要由樁側(cè)摩阻力承擔(dān)荷載,在達(dá)到極限承載力后,主要由樁端阻力承擔(dān)荷載；對(duì)于根式基礎(chǔ)，隨著荷載增加,樁端阻力占比和根鍵端阻力占比逐漸減小,樁側(cè)摩阻力占比逐漸增大,根鍵側(cè)摩阻力相對(duì)增長(zhǎng)較小。在加載到最大荷載時(shí),普通樁基礎(chǔ)的樁端阻力承載占比65.64%,樁側(cè)摩阻力承載占比34.36%;根式基礎(chǔ)的樁端阻力承載占比19.92%,樁側(cè)摩阻力承載占比21.41%,根鍵端阻力承載占比56.08%,根鍵側(cè)摩阻力承載占比2.57%。若將根鍵端阻力和根鍵側(cè)摩阻力視為樁側(cè)摩阻力,可得出在荷載為1 1000 kN時(shí),根式基礎(chǔ)相較于普通樁,其樁端阻力減小了50.07%,樁側(cè)摩阻力提高了93.91%,這是根式基礎(chǔ)通過根鍵加強(qiáng)樁土共同作用,從而提高承載力、減少沉降的根本原因。

3 結(jié) 論

通過上述分析,可得出：根式基礎(chǔ)中根鍵的存在使得樁側(cè)摩阻力提高,樁端阻力減小,從而提高了根式基礎(chǔ)的承載能力,減少了基礎(chǔ)的沉降。