土體黏聚力和內(nèi)摩擦角對SPP管樁豎向承載性狀的影響

劉東輝 張竹軍 翟 蓮 楊瑩瑩 金玉杰 蔡婧娓

1吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院（130118）2中建八局發(fā)展建設(shè)有限公司（130118）

0 引言

樁基所承受的上部豎向荷載最終都傳遞到樁周土體上，樁-土的相互作用直接影響到樁基的受力和變形性能。但巖土介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)是非常復(fù)雜的，巖土的很多因素都會對其應(yīng)力、應(yīng)變和變形產(chǎn)生直接影響，要獲得理論解是相當(dāng)困難的，因此利用有限元分析軟件模擬實(shí)際情況，研究樁基的承載性狀有重要意義。文章運(yùn)用ANSYS軟件通過模型建模、網(wǎng)格劃分、分析計(jì)算、后處理等流程對SPP樁進(jìn)行分析。

1 樁、樁周土體材料本構(gòu)關(guān)系模型

基于對樁身材料和土體材料的受力變形性能認(rèn)識，樁的剛度較大，土體的剛度較小，土體先于樁身發(fā)生破壞，樁基承載的極限狀態(tài)大多由樁周土體的變形及破壞所決定，故樁身混凝土材料很少發(fā)生強(qiáng)度破壞[1]。因而，對樁身材料采用線彈性模型；樁身混凝土單元類型采用3D實(shí)體單元的Solid65[2]。文章采用Drucker等人在莫爾－庫侖屈服準(zhǔn)則基礎(chǔ)上提出的德魯克－普拉格屈服準(zhǔn)則，土體的單元類型用的是Solid65的3D實(shí)體單元；土體的本構(gòu)關(guān)系選取了理想彈塑性模型。

2 模型建立

2.1 參數(shù)設(shè)置

文章研究不考慮擠土效應(yīng)影響，土體的泊松比一般采用對分析結(jié)果產(chǎn)生微小影響的0.3～0.4范圍內(nèi)任一值[3]，文章取0.35。為研究樁周土黏聚力和內(nèi)摩擦角對SPP管樁豎向承載性狀的影響，根據(jù)樁周土參數(shù)不同可以劃分為表1所列工況，當(dāng)研究不同黏聚力對SPP管樁豎向承載性狀的影響時(shí)，內(nèi)摩擦角取10°，當(dāng)研究不同內(nèi)摩擦角對SPP管樁豎向承載性狀的影響時(shí)，黏聚力取40MPa。

2.2 模型尺寸設(shè)置

本次模擬選取的模型尺寸是樁身長度為15 m，樁徑為0.6m，壁厚0.11m，以上尺寸屬于相同變量；不同變量是土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，具體數(shù)值見表1。SPP樁自距樁端2m向上設(shè)置3層側(cè)肢，每層4個(gè)，呈十字形沿樁身對稱布置，層間凈距2 m，側(cè)肢尺寸均為230mm×100mm×70mm（如圖1所示，其中寬度100mm為弧線尺寸），即張壓后伸出樁身長度為120mm。

表1 樁與樁周土計(jì)算參數(shù)及計(jì)算工況

圖1 側(cè)肢尺寸圖

2.3 網(wǎng)格劃分

一般認(rèn)為，沿徑向約十倍樁徑范圍之外的樁周土體幾乎不受影響[4]，為考察側(cè)肢存在對土體的作用，土層寬度從樁中心算起取9m，下部土層厚度從樁端算起取為1倍樁長，即土體厚度30m。土體模型下邊界可按三向約束處理，側(cè)面約束水平方向位移。由基本假定兩種樁型的樁-土均為軸對稱共同工作，為縮短ANSYS軟件運(yùn)行時(shí)間分別對二者選取1/4對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，兩個(gè)剖切面上設(shè)置法向約束，將三維問題轉(zhuǎn)化為軸對稱問題，如圖2所示。

圖2 樁-土網(wǎng)格劃分圖

3 有限元分析結(jié)果

本節(jié)將以側(cè)肢間距為2m，側(cè)肢層數(shù)為3層的模型樁來研究土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角對其豎向承載性狀的影響。

3.1 土體黏聚力的影響

保持樁側(cè)土體其它參數(shù)不變，土體黏聚力分別取值為10kPa、20kPa、30kPa、40kPa、50kPa，對應(yīng)的 樁 名 稱 分 別 為SPP10、SPP20、SPP30、SPP40、SPP50，名稱后邊的數(shù)字代表黏聚力的數(shù)值。黏聚力的改變對SPP管樁樁頂沉降及樁的側(cè)摩阻力的影響如圖3和圖4所示。

圖3 不同土體黏聚力對應(yīng)的Q-s曲線

圖4 不同土體黏聚力對側(cè)摩阻力的影響

由圖3表明，當(dāng)樁身和土層等的參數(shù)不變，樁頂荷載小于2000kN時(shí)，各樁的Q-s曲線變化趨勢基本相同，且基本上成線性變化，說明此時(shí)土的黏聚力的變化對樁頂沉降影響不大，樁周土仍處于彈性變形階段。隨著荷載繼續(xù)增加，樁頂沉降隨黏聚力的增大而減小，說明樁的豎向承載力得到提高。當(dāng)樁頂豎向荷載達(dá)到極限荷載3550kN時(shí)，不同土體黏聚力所對應(yīng)的樁頂沉降量分別為48.47mm、42.41mm、39.82mm、37.23mm、36.12mm，顯然土體黏聚力大小對SPP管樁的承載性能具有明顯影響，但黏聚力從10kPa變?yōu)?0kPa時(shí)，樁頂沉降量減小最明顯，粘聚力再變大，樁頂沉降量減小幅度變小，說明20kPa的黏聚力在提高單樁豎向荷載承載力方面效果最好。

圖4顯示，模型的側(cè)摩阻力變化分為樁身部分和側(cè)肢部分。不同土體黏聚力對樁側(cè)部分的側(cè)摩阻力的影響很小，5條線幾乎重合，只有側(cè)肢底部的側(cè)摩阻力因土體黏聚力的不同略微有所改變。結(jié)合Q-s曲線可以推斷，土體黏聚力對SPP管樁的影響主要體現(xiàn)在樁端土處，而且受荷載傳遞規(guī)律影響側(cè)摩阻力隨外荷載的增加逐步發(fā)揮作用。

3.2 土體內(nèi)摩擦角的影響

保持樁側(cè)土體其它參數(shù)不變，土體內(nèi)摩擦角分別取值為10°、20°、30°，對應(yīng)的樁名稱分別是SPP1、SPP2、SPP3，名稱后邊的數(shù)字代表內(nèi)摩擦角分別為10°、20°、30°。土體內(nèi)摩擦角的改變對SPP管樁樁頂沉降及樁側(cè)摩阻力的影響如圖5和圖6所示。

圖5 不同土體內(nèi)摩擦角對應(yīng)的Q-s曲線

圖6 不同土體內(nèi)摩擦角對側(cè)摩阻力的影響

圖5顯示，曲線分為三部分:第一部分是荷載在0kN～1500kN，三條曲線幾乎重合，說明加載初期，內(nèi)摩擦角對SPPS管樁樁頂位移的影響不大。第二部分是樁頂豎向荷載隨處于1500kN～2800kN之間，三條曲線逐漸分離且樁頂沉降量隨著內(nèi)摩擦角的增加而增大，說明隨著荷載的增加，內(nèi)摩擦角對樁頂沉降量的影響變大；第三部分是樁頂豎向荷載在2800kN到極限荷載之間，樁頂沉降量隨內(nèi)摩擦角的增加而逐漸減小，接近豎向極限荷載3550kN時(shí)，樁頂沉降已經(jīng)隨內(nèi)摩擦角的增加而減小。圖5中顯示，內(nèi)摩擦角為10°的Q-s曲線在豎向荷載為2800kN時(shí)有明顯的拐點(diǎn)，土的塑性性狀表現(xiàn)比較突出，豎向極限承載力水平相對較低；當(dāng)土體內(nèi)摩擦角大于20°時(shí)，隨著內(nèi)摩擦角的增大，SPP管樁的豎向極限承載力得到了較大的提高，但各曲線變化幅度并不大。當(dāng)豎向荷載達(dá)到3550kN時(shí)，內(nèi)摩擦角為10°、20°、30°對應(yīng)的的樁頂沉降量分別為49.00mm、42.00mm、40mm，由此得出SPP管樁樁頂沉降量隨內(nèi)摩擦角變大而減小，說明豎向極限承載力隨內(nèi)摩擦角的增大而增大。

圖6表明，對側(cè)摩阻力的研究分為樁身側(cè)摩阻力和側(cè)肢下部側(cè)摩阻力兩部分。樁身部分的側(cè)摩阻力隨著土體內(nèi)摩擦角的增大而減小，但是變化幅度不大，接近樁底位置處，土體的端阻力增大到最大值，然后開始變小直至減小為零。側(cè)肢位置越往下，其底部土體的端阻力越大。由此說明，側(cè)肢底部土體端阻力及樁端阻力對SPP管樁的豎向極限承載力的增加貢獻(xiàn)較大。