基于FLAC3D的桩挤土效应分析

杨小兵

许多学者已经从多方面对桩的挤土效应问题进行了研究,但由于这个问题的复杂性,至今还没有获得满意的结果。所以研究桩挤土效应具有重要意义。空间小孔扩张理论[1]是简单实用且被学术界和工程界接受的一种理论,FLAC3D软件具有其他软件不可比拟的优点[2]。所以,本文结合空间小孔扩张理论和FLAC3D软件两者的优势,分析了单桩的挤土效应。

1 模型的建立

采用FLAC3D中的圆柱形壳体cshell网格建立一个1/4的厚壁圆筒(见图1),然后利用模型的轴对称特点通过镜像建立一个完整的厚壁圆筒形状。由于桩的影响范围是有限的,因而可以认为在距离桩中心一定距离远处桩的挤土效应在工程上可以忽略不计,进而在厚壁圆筒外侧的边界条件可以假设为固定的,上端(桩端)和下端(桩底)设置为自由边界,在筒内对桩周土施加径向的扩张应力和竖向的摩擦力。这也就是该模型的初始边界条件和应力条件。建立的模型简图见图2。

2 参数的确定

沉桩的最大影响范围为20R[3](R为桩半径)。为避免由于初始半径为0而造成的环向应变无穷大的现象,可以假设压桩前土体已存在一个有一定半径为R0的圆柱空腔体,即初始扩张半径。把由 0～ R的真实扩张用 R0～2R0来代替[4]。因为,所以,即:土体中空腔半径扩大至

3 数值分析结果

3.1 相同桩长不同桩径条件下桩挤土效应分析

土体本构参数见表1。

表1 土体本构参数[5]

土体初始径向挤压力:

径向应力[6]:

竖向摩擦应力[6]:

现取桩体外径分别为D=0.4 m,0.5 m,0.6 m三种情况[7]来研究。

当D=0.4 m,L=6 m时,根据初始扩张小孔半径的确定规则,初始扩张小孔半径为 R0=0.115 5 m,扩张到2R0=0.231 m。影响范围根据前述定为20R=4.0 m。

同理当D=0.5 m,L=6 m时,影响范围为20R=5.0 m;当D=0.6 m时,L=6 m,影响范围为20R=6.0 m。

由上述三种情况得:经过对图3各组数据的回归分析可得:土体的径向位移Ur与ln(1/r)成正比例关系。其他条件相同的情况下,桩径越大,径向位移随之越大,其影响范围也越远;随着深度的增加,径向位移的影响范围也在增加。在沿桩深度方向的径向位移不是发生在桩顶和桩底,而是发生在z=-3.0 m处,大约1/2倍的桩长处。

由图4得:在同一径向距离处,径向位移随着桩径的增大而增大,在同一桩径时径向位移随着径向距离的增大反而减小。可见径向位移的大小不仅和桩径有关,而且和径向距离有关。还可以发现,这些曲线不同程度的有“S”的形状。总结其原因,可能是在桩顶处的土体处于自由状态,不仅在径向有位移,而且在靠近桩体的土体还存在较大的隆起现象。所以在z=0处及其以下的一段深度有较大径向位移,而随着上覆土压力的增加,径向位移逐渐减小。但其径向位移沿深度的最大处经这四种情况可验证上述规律,大约在距离桩顶1/2的桩长处。

3.2 相同桩径不同桩长条件下桩挤土效应分析

桩长L分别取10 m,15 m和20 m三种情况,其余参数同3.1节。D=0.6 m,R0=0.173 2 m,分别得出:

通过对图5分析可得径向位移的最大值在桩顶和桩底几乎相当,但是桩底的影响范围明显比桩顶大。

通过分析图6发现,随着径向距离的增大,各种桩长的径向位移随之减小;但在同一径向距离处各桩的最大径向位移随桩长的变化并不明显。结合前述规律可得:桩径是影响径向位移的主要因素,这几种不同桩长情况下得出的沿深度方向的径向位移的最大值不是发生在1/2桩长处,而是发生在大约距离桩底1/3桩长处。所以,随着桩长的增大,在深度方向的径向位移的最大值有下移的趋势,大约从1/2桩长处下移到距离桩底1/3桩长处。

4 结语

1)土体的径向位移Ur与ln(1/r)呈正比例关系。2)在深度方向上的桩挤土径向位移的最大值:短桩(≤10 m)约在1/2桩长处,长桩(＞10 m)约在距桩底1/3桩长处。

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