基于ADINA桩承台基础数值模拟分析

刘玉琳 王冬菊 冷建琛

(青岛建国工程检测有限公司，山东 青岛 266000)



基于ADINA桩承台基础数值模拟分析

刘玉琳 王冬菊 冷建琛

(青岛建国工程检测有限公司，山东 青岛 266000)

基于ADINA，对某桩基承台进行了二维和三维有限元分析，并将二维和三维计算结果与规范计算结果进行了对比，结果表明：三维数值模型计算得出的结果比二维数值模型计算得出的结果更接近规范方法，说明三维数值模型计算所得结果更加准确。

ADINA,桩承台,有限元模型，地基

一般意义上的承台指的是柱与桩之间的连接构件，上部结构的荷载通过承台分配到各个桩顶，然后分别由各个桩身传递到桩侧土和桩端层。承台作为桩基的重要组成部分，起着承上启下的作用。无论采用哪一种形式桩基都要设计承台，桩基承台把上部结构与其范围内的各桩连成一个整体共同工作。在满足一定强度和变形要求的前提下，成为一个可靠的转换层[1-3]。

目前对承台进行分析时将桩承台简化成梁进行分析计算，但由于承台各个尺寸相差不多，这样简化会带来比较大的误差,甚至错误的结果[4,5]。本文利用大型通用有限元数值平台ADINA，考虑桩土相互作用，对桩基承台进行更精确的受力和变形分析，建立精确的二维和三维有限元模型。通过对该模型进行数值求解，并将计算结果与规范计算结果对比，得到一些对具有重要工程应用价值的结论。

1 基本资料与数值模型建立

1.1 基本资料

1)场地资料。建筑物场地位于非地震区，不考虑地震影响。场地地下水位离地表2.1 m，地基的土层分布情况及各土层物理、力学指标如表1所示。

表1 地基各土层物理、力学指标

由于第①层厚1.8 m，地下水位为离地表2.1 m，为了使地下水对承台没有影响，所以选择承台底进入第②层土0.3 m，即承台埋深为2.1 m，桩基有效桩长即为23.1-2.1=21 m。桩截面尺寸350 mm×350 mm，为方形桩。桩基及土层分布如图1所示。

承台类型为四桩承台，底面尺寸为1 900 mm×1 900 mm。桩距为1 200 mm，承台边缘至桩中心的距离为350 mm，承台高度为1 000 mm，柱子尺寸为500 mm×500 mm，桩位平面布置如图2所示。

3)荷载信息。荷载效应标准组合下，作用于承台顶面的竖向力Fk=2 100 kN；作用于承台底面，绕过桩群形心的y主轴的力矩Myk=78 kN·m；剪力Qk=47 kN。

1.2 数值模型建立

应用大型通用数值分析工具ADINA，对桩承台基础进行有限元建模。土体采用摩尔库仑本构模型，桩土间相互作用通过设置无厚度接触单元来实现(在两个接触体间施加接触单元，通过接触单元来跟踪接触位置，保证接触协调性，并在接触表面之间传递法向应力和切向摩擦力)。桩承台基础的二维有限元模型如图3所示。

荷载效应标准组合下，作用于承台顶面的竖向力Fk=2 100 kN。将竖向集中力转化为线性分布压力施加到柱顶端，柱的边长为0.5 m，因此分布压力大小为4 200 kN/m。荷载施加如图4所示。

由于桩承台基础为对称结构，且其所受荷载同样对称，因此建立结构的1/4三维有限元模型，如图5所示。

2 桩基承台受力及变形验算

2.1 二维计算模型

为此，2018年8月河北省在北京建立了京津冀“河北福嫂”家政服务员输出基地。该基地是河北省在北京设立的家政人员输送平台，也是河北籍家政服务人员向北京输送的中转站，基地为家政人员周转期内提供免费食宿和对接服务。目前该基地已尝试性开展相关工作，为70多名家政服务人员提供免费服务，并成功对接。

首先通过ADINA数值分析平台提供的Initial Geological Stress功能来施加初始地应力。初始地应力通过A，B，C，D，E，F六个参数控制：B为土重度；C为侧压力系数，通常取为0.3～0.4；A,D,F指的是土体先期固结压力，一般情况下假定水平土体正常固结，取A，D，F等于0；在土体为各向同性时，C与E可以取相同值。初始地应力参数见表2。

表2 初始地应力参数

土层ABCDEF①0175000．300．30②1620184000．300．30③-4440178000．300．30④24290191000．300．30

桩基承台基础及地基的竖向位移如图6所示。桩承台基础顶部及地基局部沉降如图7所示。

由图6可知，竖向位移最大值为0.032 96 m(32.96 mm)。根据二维数值模型计算结果积分得出各层土的桩侧摩阻力分别为：283 kN，343 kN，166 kN，桩侧摩阻力大小为792 kN，桩端阻力大小为194 kN，桩侧阻力与桩端阻力的比值为4.1∶1。

2.2 三维计算模型

三维有限元模型计算得出桩基承台基础的竖向位移见图8。

由图8可知，三维数值模型得出的竖向位移最大值为0.033 09 m(33.09 mm)。根据三维数值模型计算结果积分得出各层土的桩侧摩阻力分别为：278 kN，365 kN，183 kN，桩侧摩阻力大小为826 kN，桩端阻力大小为187 kN，桩侧阻力与桩端阻力的比值为4.4∶1。

2.3 计算结果对比分析

基于JGJ 94—2008建筑桩基技术规范，根据经验参数法按式(1)确定单桩竖向极限承载力标准值。

Quk=Qsk+Qpk=μ∑qsik+qpkAp

(1)

其中，μ为桩身周长；qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；qpk为极限端阻力标准值；Ap为桩端面积。

除去杂填土外第②，③，④层土都是粘土，根据土的性质，查得第②，③，④层土的极限侧阻力标准值分别为42 kPa，36 kPa和60 kPa，第④层土的极限端阻力为2 200 kPa。

将各层土参数代入式(1)中，计算得出桩侧极限侧阻力为1 159.2 kN，极限桩端阻力为269.5 kN，桩侧极限侧阻力与极限桩端阻力的比值为4.3∶1。

数值分析计算结果与规范法计算结果对比见表3。

表3 数值模拟与规范方法计算结果对比

3 结语

本文以算例的形式，介绍了有限元分析软件ADINA在桩承台基础设计中的应用。计算结果表明，数值分析计算得到的沉降值与规范方法基本一致。数值分析得出的桩侧摩阻力、桩端阻力均小于基于规范方法计算得出的桩侧极限侧阻力、极限桩端阻力，说明桩并未达到承载能力极限状态。数值分析得出的桩侧阻力与桩端阻力比值和基于规范法计算得出的桩侧极限侧阻力与极限桩端阻力的比值非常接近，说明了数值计算得出的桩侧阻力、桩端阻力的合理性。三维数值模型计算得出的结果比二维数值模型计算得出的结果更接近规范方法，说明三维数值模型计算所得结果更加准确。

[1] 杨 颖,徐伽南.关于两桩承台设计方法的探索[J].山西建筑,2016,42(10):85-87.

[2] 常景峰.二桩承台的有限元分析[J].山西建筑,2007,33(6):143-145.

[3] 唐海燕,张海涛.柱下两桩承台的设计方法[J].建筑结构,2013(22):77-79.

[4] 高丹盈,雷 杰,海 慧.钢纤维高强混凝土三桩承台受力性能及承载力计算方法[J].水利学报,2015,46(2):153-163.

[5] 龚维明,傅支黔,吴 坚,等.单桩及二桩承台水平承载性能试验研究[J].桥梁建设,2013,43(5):23-28.

Numerical simulation analysis of pile cap foundation based on ADINA

Liu Yulin Wang Dongju Leng Jianchen

(QingdaoJianguoEngineeringDetectionCo.,Ltd,Qingdao266000,China)

ADINA 2D and 3D finite element analysis of a pile cap and based on 2D and 3D calculation results and the calculation results were compared, the results show that the three-dimensional numerical model calculation results than the two-dimensional numerical model calculation results are closer to the standard method, 3D numerical model and the results are more accurate.

ADINA, pile cap, finite element model, foundation

1009-6825(2017)18-0064-02

2017-04-05

刘玉琳(1987- )，女，助理工程师

TU473.1

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