桩—土共同作用下大直径薄壁管桩的竖向受力性能数值模拟

桥梁工程

方　欣

(重庆交通大学土木建筑学院)



桩—土共同作用下大直径薄壁管桩的竖向受力性能数值模拟

桥梁工程

方欣

(重庆交通大学土木建筑学院)

摘要：以桩—土耦合作用理论为基础，运用ABAQUS有限元软件建立管桩在竖向荷载作用下的模型，通过分析管桩的内摩阻力、外摩阻力及荷载—沉降结果，得到管桩在竖向荷载作用下的受力、变形机理，结果表明：二维有限元模型代替三维模型进行管桩—土共同作用下的受力性状分析结果合理；大直径管桩内桩径摩阻力的分布不同于外桩径摩阻力，其受力的分布随桩身的深度而变化，受力主要集中在端部，范围为桩端以上2～3倍桩直径范围以内，其受力图形呈喇叭型，且其作用的发挥相比于外摩阻力晚，为研究管桩的受力及破坏机理提供理论参考，具有一定的工程指导意义。

关键词：桩土耦合；管桩；竖向荷载；受力状态

1引言

天然地基作为一种传统的承担上部结构荷载的形式，具有经济、施工简单、快速等优点，但是由于高层建筑的出现，天然地基在承载力或变形方面已无法满足建筑物的要求，于是桩作为一种分担荷载及控制变形的手段得到广泛应用。

桩基础具有承载力高、稳定性好、基础沉降及差异变形小、抗震性能好及适用性强等优点，被广泛应用于高层建筑、大型桥梁工程建设及大型动力机器基础等基础工程中。以单桩在水平荷载下的桩—土耦合作用计算理论为基础，考虑，通过改变管桩刚度、直径、壁厚、桩长等结构参数，深入研究薄壁管桩在水平荷载作用下的受力、变形及破坏机理，具有重要的工程应用背景及重要的理论意义。

2桩—土共同作用的理论基础

有限单元法是随着计算机的发展而发展起来的一种新的计算桩—土共同作用下桩的竖向应力、位移及破坏形式的方法，这种方法克服了其它各种方法的局限性，已经广泛的应用到建筑结构、大跨径桥梁结构、大型土工结构以及复杂的桩基工程的各类土木工程结构的计算分析中。一般情况下，有限单元法可以计算考虑许多影响因素(土的非线性、固结时效性及动力特性、渗水等)的桩基的工作性能，但由于在对实际的工程具体计算时，需要更多的参数、更加复杂的准备工作，且计算量成本高，耗时耗费等原因在群桩的结构分析中较少采用。但对于单桩而言，有限单元法是计算器工作性状的不二方法，且在具有可靠地本构关系的基础上，真实的反映单桩的受力、变形及破坏机理。

3算例

3.1　模型概况

某工程中有一桩长为15 m, 外径为0.5 m，内径为0.3 m，壁厚200 mm，桩侧摩擦系数为μ=0.3。桩周土体采用Mohr—Coulomb(摩尔库仑)模型模拟，土体为砂土，弹性模量E=20 MP，c=0.1 kp,φ=30°，剪胀角为φ=0°，模拟过程中为排水情况，分析时不考虑孔压的存在，荷载全部由有效应力承担。截面形式为空心管桩，研究大直径空心管桩的竖向受荷下的受力状态及破坏机理时，采用桩—土结构轴对称模型进行有限元分析。为准确分析边界条件对桩—土共同作用的影响，分析时将土体深度设置成两倍桩长，径向方向设置成40倍桩径长度，桩体材料采用线弹性模型模拟，不考虑桩体的弹塑性，桩土之间进行硬接触，摩擦系数取为0.2，土体采用Mohr—Coulomb模型。三维模型中结点总数为24 570，单元总数为21 497，采用C3D8R单元；二维模型中结点总数为4 492，单元总数为4 260，采用CAX4R单元。

3.2　软件的计算流程分析

基于ABAQUS的建模及参数化思想，实现了有限元模型的循环建立，调整参数进行计算，最终提取了有大直径管桩在水平及竖向力作用下反应结果，计算流程如图1所示：

图1　ABAQUS计算流程图

4竖向荷载下管桩的受力性能响应分析

4.1　竖向荷载作用下三维与二维管桩模型内外摩阻力分析

为了模拟管桩在竖向荷载作用下受力及沉降破坏的全过程，在运用有限元软件进行分析时，将桩顶指定向下0.06 m的位移，在此工程中桩体发生破坏，得到桩体在下沉工程中的受到的阻力的过程，进而分析其受力机理。

由于桩管内部存在土芯，管桩的工作性状比闭口桩要复杂一些。除了桩设置过程中挤土效应的差异之外，其竖向荷载传递机理也有所区别。一般认为管桩的极限承载力由三部分组成，即桩管外侧摩阻力、桩管内侧摩阻力和环底端阻力。具体计算中有两种方式：第一类是分别计算管内侧阻力、管外侧阻力、管环底端阻力。具体计算中有两种方式：第一类是分别计算管内侧阻力、管外侧阻力、管环底端阻力，三者之和为单桩承载力，但当土芯与管壁的摩阻力大于实心桩的端承载力时，应采用实心桩的端承载力；第二类是分别计算管外侧阻力和端阻力，计算侧阻力时考虑挤土效应，计算端阻力时一并将桩端的土芯效应考虑在内。无论哪一类方法中，都必须要涉及到对土芯性状及工作机理的研究，尤其是内阻力是否可按外侧摩阻力的公式进行估计，是否沿土芯全高度发挥等。

由图2、图3可以得出，二维有限元模型的桩体内摩阻力、外摩阻力计算结果稍大于三维模型的有限元分析结果，但结果非常接近，为简化模型计算，本文用二维有限元模型代替三维模型进行管桩—土共同作用下的受力性状。

图2　有限元管桩模型桩体外侧摩阻力对比曲线

图3　有限元管桩模型桩体内侧摩阻力对比曲线

图4、图5给出了大直径管桩在下沉过程中不同时刻的桩外侧与桩内侧的摩阻力随深度变化的曲线，计算结果得出：在桩身下沉过程中的不同时刻，外摩阻力随深度大致呈线性分布，作用发挥的较早，受载中后期其受力基本维持在极限值状态，其最大值为13.28 kPa；内摩阻力的分布不同于外摩阻力，其受力的分布随桩身的深度有很大不同，其受力主要集中在端部，范围为桩端以上2~3倍桩直径范围以内，其受力图形呈喇叭型，且其作用的发挥相比于外摩阻力晚，其最大值为25.36 kPa，约为外摩阻力的2倍；出现上述现象的主要原因是：侧摩阻力的发挥来源于桩土之间的相对位移，内外摩阻力的发挥不同正是由于管桩内径包围的土芯和桩外侧土的不同边界条件和位移模式的结果。

图4　桩外侧摩阻力随时间的变化曲线

与桩外周无限大的土体不同，管桩内径包围的土芯相当于一维土桩，桩外周土体变形主要为剪切变形，而土芯则往往伴随着压缩变形，侧向要膨胀，在相对刚性的桩管的限制下，水平力有交大的提高，致使内摩阻力增加。同时，大直径管桩在竖向荷载作用之下，桩体向下移动，桩与桩外侧土的差异变形由上向下发展，外侧摩阻力由上向下发挥；而对于管桩内侧土芯，载荷较小是土芯随桩管同步下沉，只有当土芯底部受到足够大的反力时，土芯才会产生相对管壁的向上的位移是侧阻力充分发挥出来，总而造成了管桩内、外侧摩阻力的发挥时间出现差异。

4.2　竖向荷载作用下管桩的极限承载力

由图8的荷载—沉降曲线能够得出，竖向荷载作用下桩体沉降破坏的全过程，也能够反映桩的工作机理、破坏模式及破坏机理，是桩—土共同工作情况下总体的荷载传递、桩侧摩阻力及桩端端阻力性能发挥的综合体现，所以研究桩体在竖向荷载作用下的荷载—沉降曲线是研究其受力机理的重要途径。当竖向沉降位移为0.85 cm，即荷载为549.829 kN,荷载与沉降位移大致呈直线关系，之后桩体的沉降位移变化速率加大，产生了快速的刺入变形，当沉降位移为1.15 cm时，管桩发生破坏，此时对应的荷载为676.779 kN，表明桩体的竖向极限承载力为676.779 kN。

由图6、图7的荷载—沉降对比曲线可以得出，三维与二维有限元管桩模型桩体的荷载—沉降位移对比曲线基本重合，得到的极限承载力非常接近，再次验证运用二维有限元模型代替三维模型进行管桩—土共同作用下的受力性状分析的合理性。

图6　荷载—沉降位移曲线

图7　三维与二维有限元管桩模型桩体荷载—沉降位移对比曲线

4.3　管桩内土芯变形研究

为了更好的研究土芯的变形模式，图8给出了管桩桩端附近的土芯、桩壁和桩周土的沉降等值线云图。由图10中可以看到，由于土芯受到底部土体的反力，产生竖向压缩水平膨胀的变形模式，土芯和桩壁之间产生了较大的摩阻力，使得土芯和桩壁一起下沉，桩呈类似闭口桩的破坏模式。

图8　土芯周围的竖向位移图

由图8可以得到，管桩内土芯变形时出现的发挥时间出现差异原因是大直径管桩在竖向荷载作用之下，桩体向下移动，桩与桩外侧土的差异变形由上向下发展，外侧摩阻力由上向下发挥；而对于管桩内侧土芯，载荷较小是土芯随桩管同步下沉，只有当土芯底部受到足够大的反力时，土芯才会产生相对管壁的向上位移，此时侧阻力才充分发挥出来。

5结论

(1)对比分析了三维及二维有限元管桩模型在竖向荷载作用下桩体的内摩阻力、外摩阻力及荷载—沉降曲线的受力计算结果，得出二维有限元模型与三维有限元模型的分析结果非常接近，为简化模型计算，用二维有限元模型代替三维模型进行管桩—土共同作用下的受力性状分析具有合理性。

(2)大直径管桩在下沉过程中不同时刻的桩外侧与桩内侧的摩阻力随深度的变化，得出：在桩身下沉过程中的不同时刻，外摩阻力随深度大致呈线性分布，作用发挥的较早，受载中后期其受力基本维持在极限值状态。

(3)内摩阻力的分布不同于外摩阻力，其受力的分布随桩身的深度有很大不同，其受力主要集中在端部，范围为桩端以上2～3倍桩直径范围以内，其受力图形呈喇叭型，且其作用的发挥相比于外摩阻力晚，最大值约为外摩阻力的2倍。

(4)对于管桩内侧土芯，载荷较小是土芯随桩管同步下沉，只有当土芯底部受到足够大的反力时，土芯才会产生相对管壁的向上位移，此时产生向上的承载力。

参考文献：

[1]任秀文,谭亮,冯樊等.竖向荷载作用下预制管桩桩土共同作用的数值分析[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2011,30(Z1):550-554.

[2]付贵海,魏丽敏,郭志广等.深厚软土地基增强型管桩受力性状试验研究[J].土木建筑与环境工程,2012,34(1):60-65.

[3]贾媛媛,路军富,赵冉等.竖向荷载作用下大直径钢管桩承载力特性分析[J].广西大学学报(自然科学版),2012,37(4):744-750.

Under pile-soil interaction numerical simulation of large diameter

thin-walled pipe pile under vertical load performance

FANG Xin

(School of Civil Engineering&Architecture,Chongiqing University of Communication)

Abstract:Put pile-soil coupling theory as the foundation, the establishment of pipe pile under vertical load using the finite element software ABAQUS to model, through the settlement results internal frictional resistance, analysis of pile shaft resistance and the external load, get the stress, deformation mechanism of pile under vertical load, the results show that: the 2D finite element model instead of three dimensional model of force character interaction pile - soil analysis result of the reasonable distribution of large diameter pile; the inner diameter of pile friction is different from the outer diameter of pile friction, the distribution of the stress varies with the depth of pile, the stress mainly concentrated in the end, the scope for the pile end more than 2 ~ 3 times of the pile diameter range, the stress pattern is in horn shape, and the role of play than the outer friction resistance of late, to provide a theoretical reference for the research of pile stress and failure mechanism, which have certain engineering significance.

Key words:pile-soil interaction；pile；vertical load；stress state

作者简介：方欣(1984-)，男，重庆人，主要从事岩土工程设计与施工方面的研究。

收稿日期：2014-11-10

中图分类号：TU473.16

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2015)08-0091-03