竖向荷载下钻孔灌注桩单桩的数值模拟分析

2011-06-13王丽欢陈柄君

东北电力大学学报 2011年1期

秦力，王丽欢，陈柄君，陈浩

(1.东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林132012;2.长春供电公司，吉林长春130041;3.中国航空港建设第十工程总队，河北保定071051)

桩基是建筑物和高耸构筑物的一种重要基础形式，在土木工程领域得到了广泛应用，近50年来，桩基础一直是地基基础或岩土工程中研究的热点问题之一，目前，关于单桩竖向荷载下的工作性状的理论分析方法主要有:荷载传递法、弹性理论法、剪切位移法及各种数值分析方法［1］。数值模拟方法主要是将整体进行离散，然后通过模拟桩-土本构关系进行计算，所得到的结果一般比较合理，此方法也存在一些问题，如目前桩-土的本构理论还不够完善，桩-土接触面处理具有很大的近似性，并且需要获取合理的计算参数［2］。但与其他几种方法相比具有易操作性，且结果也较准确。虽然多年来对其进行了大量的研究，但由于桩土共同作用的复杂性，需要多方面考虑，深入分析［3］。本文利用有限元软件模拟桩土之间的相互作用，通过对数值结果和试验数据的对比分析，确保模拟的正确性，从而合理的解决单桩竖向荷载作用下的桩侧摩阻力、桩端摩阻力和沉降，以及其相关关系。

1 数值分析

1.1 本构关系的选取

本文采用的Mohr-Coulomb模型，本模型参数较少，使用比较方便，能够较好地描述岩土类材料的材料性质，同时也可以将材料等向应变软化和硬化特性考虑在内。Mohr-Coulomb屈服准则表示为:

其中:σ1，σ2与σ3分别代表第一、第二与第三主应力;φ与c分别代表内摩擦角与粘聚力。在σ-τ坐标系下，屈服线见图1。

图1 Mohr-Coulomb屈服模型

图2 偏应力平面上屈服面的形状

而摩擦角φ控制着材料在π平面上的屈服形状，见图2。当摩擦角的取值范围不同时，Mohr-Coulomb模型也会表现出不同的性状［4］。

1.2 桩基试验概况与有限元模型的建立

试验时，由电动高压油泵给置于试桩面的油压千斤顶逐级加、卸载，其情况见表1，千斤顶作用线通过试桩中心。并取5个不同的桩基截面进行内力测试。

表1 试验加载值与受荷历时

模拟时，将土体视为弹塑性体，其屈服准则采用Mohr-Coulomb模型，桩体假设为线弹性体。在有限元分析中，桩体和土体均采用实体单元，由桩-土相对滑动的规律可知:用小滑移公式来模拟接触关系是合理的，通过定义接触对实现的，桩体面为刚性面定义为接触面中的主控面，相对而言，土体定义为接触面中的从属面，从属面节点不可以穿透主控面［7］。

从力学分析的角度来讲，考虑到轴对称性，采用轴对称模型进行分析［5，6］。分析区域桩端向下扩展1.2倍桩长，水平方向取为25倍的桩径。计算模型的物理力学指标见表2。

表2 计算模型物理力学参数

针对以上内容建立轴对称模型见图3。

2 算例计算结果与试验数据对比分析

对运用有限元分析软件建立的有限元模型进行计算，现取当荷载加至最大值11 000 kN时所对应的桩-土体系应力图与x、y方向的位移图见图5。

由以上图表可知，Mises应力的最大值发生在桩顶的中心位置。桩端在Y方向的位移小于桩顶位移，同样在X方向的位移，也为桩端位移值小于桩顶位移值。通过对单桩的位移场的分析估算单桩的影响半径，对于非均质土层而言，单桩桩径与其影响半径有密切的关系，一般单桩的影响半径随着桩径的增大而增大。

为了验证数值模拟的有效性，将数值计算结果与单桩竖向抗压静载试验数据进行对比，其结果如图8、图9所示:

由以上图表可以得知:数值模拟的结果比试验数据要大，比如:随着竖向荷载的逐级增加，沉降也随之增加，在桩顶荷载施加至11 000 kN时，试验得到的桩顶沉降为14.78 mm，而数值模拟计算得到的沉降要比试验大25.01%，沉降值为19.71 mm。桩侧阻力占36%，端阻力占桩顶荷载的64%，属于摩擦-端承桩，但以端承为主。

表3 桩身各断面轴力对比表kN

数值分析的结果与试验值有着一定的差别这主要是由建立桩基模型的方式不同所造成的。在数值模拟成桩时，模型是通过坐标定位及其相互间的约束将各部分组装成型，并在相应模块中定义桩-土面接触属性从而建立二者之间的接触，但在此过程中并没有考虑桩侧土体对桩身的挤压作用。因此，数值模型中的竖向荷载主要有桩端阻力承担。其次，桩定义为线弹性体，土体采用摩尔-库伦模型，和桩土接触的复杂的实际情况有所不同，也会造成数值模拟结果与试验结果有一定的差异。由表7可知:桩身轴力符合桩的受力规律，沿桩的轴向自上向下逐级减小，与静载试验数据规律相符。