基于Abaqus的楔形桩泥皮效应动力分析

曾新发

[摘 要]桩基础由于工艺原因会在桩土接触侧面留下一定厚度的泥皮，泥皮对桩承载力的影响一直以来受到关注。文章利用Abaqus软件自带的D-P准则，建立了桩土有限元三维模型，对竖向简谐荷载动力荷载下桩土接触面泥皮效应进行研究。分别从桩土应力比、桩身应力、桩顶沉降三个方面进行对比讨论，分析指出泥皮对桩侧摩阻力影响显著，应该加强施工工艺，严格控制泥皮厚度。

[关键词]有限元；D-P准则；泥皮；桩基础

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.41.114

1 引 言

现阶段基础建设规模继续扩大，桩基础作为常用的基础形式得到了广泛应用，其中成孔灌注桩由于工艺原因（如泥浆护壁成孔）会在桩土接触侧面留下一定厚度的软泥（泥皮），桩侧泥皮具有抗剪强度低、含水率高、压缩性高、摩擦系数低等特点，桩侧泥皮导致了桩土之间的薄弱层。

楔形桩即下小上大的圆台型桩，其桩侧壁倾斜受力合理，楔形桩承载能力主要有三部分构成桩底、桩侧摩阻力、桩侧倾斜侧壁法向反力的竖向分力，楔形桩受力显然不同于等径桩（圆柱型桩）。

泥皮对桩侧阻力及承载力的影响目前学者观点不一致。张忠苗的试验表明，考虑泥皮效应后，桩侧极限摩阻力约为不考虑泥皮的50%左右，单桩极限承载力下降约20%。

但在动载作用下，泥皮的存在对楔形桩侧摩阻力及承载力的影响如何还鲜见报道。本文考虑软土桩处理路基在交通荷载（简化为简谐荷载）下的动力特性，探讨泥皮条件下对桩身应力变化、桩顶位移特征、桩土应力比的影响。

2 模型参数

Abaqus软件是著名的有限元分析软件，软件在工程领域广泛运用并且模拟结果精度高，满足工程需要。

模型各部件尺寸如下：土体模型1/4土体尺寸为长×宽×高=2m×2m×2.5m，碎石褥垫层总尺寸长×宽×高=0.9m×0.9m×0.2m。桩体尺寸上部直接100mm，下部直径50mm，侧壁倾角1.2度，桩长1200mm。模型参数中土体采用D-P模型，中密度2000kg/m3，填土摩擦角5.28度，粘聚力c=9.2e3pa，膨胀角取摩擦角一半，流应力比0.778，弹性模量取3e7pa，泊松比0.25，硬化行为类型为压缩型；桩体模型采用各项同性弹性模型，弹性模量E=300MPa，泊松比0.21；碎石垫层为各项同性弹性Mohr-Coulomb模型，采用8节点六面体线性缩减积分三维实体单元C3D8R，密度2000，弹性模量2e8，泊松比0.35。

在桩侧-土接触面设置接触对，桩为从面土为主面，允许桩刺入土层但允许土层侵入状体（即桩不破裂），摩擦系数法向1.0，切向摩擦系数分别为1.0、0.5（折减系数）、0（理想光滑侧面）；碎石垫层接触面及桩底接触面摩擦很小均设置为1.0。

3 数值对比分析

数值分析采用简谐荷载，无拉应力，幅值4000N，频率1Hz，振动时间50秒。限于篇幅本文仅以第20次震动结束是的各项数据比较分析，分别从桩顶位移、桩底应力、基础顶面桩土应力比进行比较。

3.1 土层顶部及桩顶位移分析

由图1～图3可知，桩侧无滑移是桩顶位移最小，光滑时最大；桩底位移在图2、图3中可以看出桩尖有刺入现象，图1中刺入现象不明显。

3.2 桩身应力分析

桩身应力分布规律基本相同，都是中部大，这和等径桩有区别，楔形桩上部直径大，平均分担的应力有所减小，但楔形桩桩底受到的压力还是最大。

桩底应力无滑移时最小1.377×104Pa，有泥皮时为1.448×104，侧壁光滑时最大达到1.535×104Pa。桩侧泥皮的影响比起无滑移情况桩底应力增加8%，理想光滑时比无滑移增加11.5%，增加并不很明显是因为楔形桩承载能力桩侧摩阻力只是一部分，还要法向力的竖向分力也是承载力的一部分。

3.3 土层顶部桩-土应力比分析

桩土应力比即桩和桩周土应力比值的倒数，数值越大反映桩周土分担荷载越多，桩土协同工作基础整体性越好。下表中桩侧有泥皮时桩土应力比0.49，相比无滑动情况降低了13%，桩分担的荷载较多，原因是摩擦减小桩顶荷载通过桩体向桩尖传递，这从桩尖应力也可以看出。

4 结 论

本文通过考虑桩侧泥皮的存在以及设置接触面摩擦系数的方式分别考虑桩侧无滑动、桩侧有泥皮、桩侧光滑三种工况对比分析得到：桩侧泥皮存在相对于桩侧无滑动情况来说，桩顶位移增加9%、桩尖应力增加11%、桩土应力比降低13%。而桩侧理想光滑状态相对于无滑移状态桩顶位移增加22.9%、桩尖应力增加11.6%、桩土应力比降低15%。由此可见，单桩桩侧泥皮对桩基竖向位移影响较大，同时会增加桩尖应力，对于低级深层软土来说，会进一步增加基础沉降以及降低承载力。此外，桩侧泥皮存在会降低桩土应力比，不利于桩周土来参与承担荷载，不利于桩土协同工作。

参考文献：

[1]张忠苗，辛公锋，吴庆勇，等.考虑泥皮效应的大直径超长桩离心模型试验研究[J].岩土工程学报，2006（12）：2066-2071.

[2]刘杰，王忠海.楔形桩承载力试验研究[J].天津大学学报，2002（2）：257-260.

[3]朱向荣，王金昌.ABAQUS软件中部分土模型简介及其工程应用[J].岩土力学，2004（S2）：144-148.