沖刷對受荷群樁承載特性的影響分析

摘 要：【目的】沖刷深度對樁體承載特性具有重要影響，沖刷會引起樁體的變形增大，使土壤中的有效側(cè)阻力和端阻力減小，進而使樁的承載能力減退，對樁體的動力特性也有影響，因此有必要對沖刷后樁體承載特性進行研究?！痉椒ā客ㄟ^有限元數(shù)值模擬，分別對不同沖刷深度下樁體回彈量、極限承載力、各樁軸力與側(cè)摩阻力進行研究。【結(jié)果】沖刷會導(dǎo)致土體卸荷回彈，隨著沖刷深度的增加，樁頂回彈量增大，土體卸荷回彈更加顯著。在荷載達到12 000 kN至極限荷載的過程中，由于樁頂承受的荷載較大，荷載對樁體的向下位移的影響大于土體沖刷卸荷回彈對樁體向上位移的影響，從而導(dǎo)致整體上樁體位移隨沖刷深度的增加而增大?！窘Y(jié)論】研究成果可為沖刷對群樁承載力影響分析提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：群樁基礎(chǔ)；沖刷；數(shù)值模擬；承載特性

中圖分類號：TU473.1" " "文獻標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）10-0060-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.10.012

Analysis of the Impact of Erosion on the Bearing Characteristics of Pile Group Foundations Under Load

LEI Fuguang GAO Haiquan GAO Yunfeng JIU Yongzhi

（ Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007， China）

Abstract： [Purposes] Scouring depth has a significant impact on the bearing characteristics of pile foundations. Scouring can cause increased deformation of the piles， resulting in a decrease in effective lateral and end resistance in the soil. This， in turn， reduces the bearing capacity of the piles and also affects their dynamic characteristics. Therefore， it is necessary to study the bearing characteristics of pile foundations after scouring. [Methods] Byfinite element numerical simulation， the rebound displacement of the pile， ultimate bearing capacity， axial forces， and lateral friction resistance of the pile under different scour depths were studied. [Findings] The results indicate that scouring can cause unloading rebound of the soil， and as the scour depth increases， the rebound displacement at the pile head increases， and the unloading rebound of the soil becomes more significant.During the process from the load reaching 12 000 kN to the ultimate load， due to the large load borne by the pile head， the downward displacement of the load on the pile is more influential than the upward displacement caused by scour-induced unloading rebound of the soil， resulting in an overall increase in the displacement of the pile with increasing scour depth. [Conclusions] The research findings provide a theoretical basis for the analysis of scour's impact on the bearing capacity of pile foundations.

Keywords： pile group foundation; scour; numerical simulation; bearing characteristics

0 引言

在我國橋梁建設(shè)中，群樁基礎(chǔ)是最常用的基礎(chǔ)形式之一。目前， 相關(guān)學(xué)者針對沖刷對群樁基礎(chǔ)豎向承載特性的影響進行了一些研究。Yu等［1］通過試驗分析，得到了荷載—位移曲線以及樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的變化規(guī)律，并評估了水流沖刷對豎向承載力的影響。陳鵬等［2］利用FLAC3D進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)沖刷對樁體產(chǎn)生了顯著影響，引起豎向位移、水平位移和樁身軸力的變化。王楠等［3］采用有限元法研究了沖刷條件下持力層為表層粉土層的樁基豎向承載特性，發(fā)現(xiàn)沖刷可導(dǎo)致持力層變薄和樁靴埋深變淺，進而減小豎向承載力。Liang等［4］利用ABAQUS軟件采用Mohr-Coulomb線彈性模型發(fā)現(xiàn)一般沖刷比局部沖刷更易降低樁基礎(chǔ)的豎向承載力，而局部沖刷的寬度對樁體的承載特性有較大的影響。Miao［5］和Pan［6］等使用三維有限元軟件研究了樁基剛度與樁側(cè)土壓力之間的關(guān)系。糾永志等［7］提出了沖刷條件下水平承載特性的非線性簡化計算方法，并分析了樁身內(nèi)力與位移對沖刷深度和荷載等級的影響。Wang［8］采用FEM-ALEM耦合方法研究了沖刷條件下群樁與成層土之間的動力相互作用，并討論了沖刷類型、沖刷深度、沖刷寬度和土層特性對群樁動力特性的影響。Liang等［9］應(yīng)用三維數(shù)值模型計算了埋設(shè)在層狀土層中的沖刷樁群的動力阻抗，研究了不同沖刷深度下5×5布置方式的群樁動力阻抗受沖刷程度的影響。

本研究對樁基礎(chǔ)在沖刷條件下的豎向承載特性的研究現(xiàn)狀進行綜述，并結(jié)合有限元軟件展開研究。在一般沖刷的沖刷模式基礎(chǔ)上，重點分析了沖刷條件下的沖刷深度對群樁豎向承載特性的變化規(guī)律，為工程設(shè)計提供理論支持和指導(dǎo)。

1 沖刷豎向受荷有限元計算模型

群樁模型與土體幾何參數(shù)見表1。

2 沖刷模擬的方法

沖刷對樁基礎(chǔ)豎向承載特性產(chǎn)生影響是因為樁周土體被開挖，這是“開挖法”模擬沖刷的核心思想。在使用ABAQUS進行沖刷模擬時，需要利用單元的生死功能。在靜力分析步驟中，應(yīng)設(shè)置靜力通用模式，并在相互作用模塊中使用“Model change”和“Remove”選項。此外，需要取消激活樁-土相互接觸的界面屬性，以確保土體被沖刷移走時不會對接觸面產(chǎn)生應(yīng)力影響。由于土體被開挖移走后，開挖面以下處于卸荷回彈狀態(tài)。根據(jù)對相關(guān)文獻資料的研究，選擇彈性模量為試驗得到的壓縮模量的3～5倍時，不會影響數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

3 沖刷對群樁荷載—位移曲線、樁身軸力與樁側(cè)摩阻力的影響

選取樁間距S=3D（D為樁直徑）進行分析，各沖刷深度的樁體均向上位移，原因是沖刷導(dǎo)致土體卸荷回彈，與樁基互動引起樁體回彈。不同沖刷深度下群樁荷載—位移曲線如圖1所示。由圖1可知，樁頂回彈量隨沖刷深度的增加而增大。這是因為沖刷增加了樁體無支撐長度，改變了承載特性。不同沖刷深度的回彈量—沖刷深度變化如圖2所示。由圖2可知，土體回彈量增大的程度與沖刷深度呈負相關(guān)，即隨著沖刷深度的增加，回彈量增加程度減緩。

工作荷載下不同沖刷深度的樁身軸力如圖3所示。本研究取極限荷載的一半作為工作荷載進行分析。由圖3可知，樁身軸力的數(shù)值表現(xiàn)為角樁[gt;]邊樁[gt;]中間樁的趨勢。而且隨著沖刷深度的增加，中間樁和邊樁的軸力值逐漸接近角樁的軸力值，在沖刷深度為6D時，三者的軸力值大小相互接近。

荷載下不同沖刷深度的樁側(cè)摩阻力如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)沖刷深度較小時，樁側(cè)摩阻力的順序為中間樁[lt;]邊樁[lt;]角樁，隨著沖刷深度的增加，三者的摩阻力逐漸接近。特別是中間樁下部的摩阻力隨著沖刷深度的增加而增大，這說明隨著沖刷深度的增加，中間樁下部的側(cè)向摩阻力將發(fā)揮更為顯著的作用。

4 沖刷后不同位置基樁荷載分擔(dān)比例分析

工作荷載下基樁荷載分擔(dān)比例如圖5所示。由圖5可知，隨著沖刷深度的增加，角樁分配的上部荷載比例逐漸減小，邊樁對荷載的分配比例緩慢增加，而中間樁則呈現(xiàn)快速增加的趨勢。這表明在工作荷載下，最初上部荷載主要傳遞到角樁位置，隨著沖刷深度的增加，力開始更加偏向邊樁和中間樁傳遞。極限荷載下基樁荷載分擔(dān)比例如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)上部荷載較大時，最初角樁、邊樁和中間樁分擔(dān)的上部荷載力比較接近。然而，隨著沖刷深度的增加，邊樁和中間樁開始承受更多的荷載力作用，而角樁的分擔(dān)力緩慢減小。這說明隨著沖刷深度的增加，邊樁和中間樁承擔(dān)著更大的荷載分擔(dān)作用。因此，在實際工程設(shè)計中，不能忽略對邊樁和中間樁承載能力的分析。

5 結(jié)論

利用ABAQUS有限元軟件建立群樁三位有限元模型，研究沖刷對群樁豎向承載特性的影響，得出以下結(jié)論。

①樁體受到不同深度沖刷會導(dǎo)致土體卸荷回彈，并與樁基相互作用，引起樁體的回彈位移，沖刷深度增加會導(dǎo)致樁頂回彈量呈現(xiàn)增加的趨勢，樁頂回彈量的增加程度與沖刷深度呈負相關(guān)。

②工作荷載下，樁端的阻力值表現(xiàn)為角樁[gt;]邊樁[gt;]中間樁，而極限荷載下，角樁、邊樁、中間樁的阻力值逐漸增大，說明中間樁隨著上部荷載的增加，分擔(dān)的荷載比例更大，而角樁隨著上部荷載的增大分擔(dān)的荷載比例減小。

參考文獻：

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