成层土中竖向荷载作用下超长桩数值模拟

2019-03-06蔡晨雨夏超群杨延恒

港工技术 2019年1期

蔡晨雨，常林，夏超群，杨延恒

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120）

引言

目前超长桩被广泛应用于在高层建筑、大型港口和大跨度桥梁工程建设中。对于超长桩的研究，无论是解析法还是有限元数值模拟都取得了大量的成果[1-4]，但这些也就大部分是基于单层土体或者两层土体进行研究，对于多层土体中超长桩的承载性状也就较少。本文依据浙江某金融中心工程实例的地质资料，利用通用有限元软件 ABAQUS建立了五层土中超长桩的三维有限元模型，据此进行超长桩在竖向荷载下的特性，得出一些有益的结论。

1 模型的建立及验证

1.1 模型参数

依据中浙江某金融中心工程实例的地质参数进行建模[5-6]，桩长68 m，桩径800 mm，桩身为采用C40混凝土，桩体泊松比取0.2，弹性模量依据下式计算[7]：

土体分层按照文献[6]中的地质剖面图进行划分，上面四层土按照文献[6]中土工参数进行选取，弹性模量取为压缩模量的4倍[8]，采用摩尔库伦弹塑性本构模型。底部持力层参数依据文献[9]选用。具体参数见表1。

表1 土体分层及参数

1.2 网格划分及边界条件

如图1，土体尺寸取为40 m×40 m×100 m，对土体底部边界采取完全固定约束，侧边约束x方向和y方向的水平位移。单元尺寸、节点和单元体个数通过多次试分析并优化产生。桩身附近的网格划分较密，远处网格较疏，有助于加快计算收敛速度并提高计算精度。[10]

图1 土体网格

1.3 接触面设置

桩土接触面设置面-面接触对，采用摩擦接触惩罚函数算法。在桩土接触面上，对桩和土分别设置主面和从面。桩土之间的摩擦角δ是影响摩擦桩承载性能的关键因素，Potyond[11]等研究表明：对于粘性土取δ/φ=0.6～0.7比较合适，文献[12]建议采用δ=tan-1(sinφ′×cosφ/ ( 1 + s i n2φ′))来计算摩擦角。对于摩擦角范围 15°～30°的土体，那么桩土界面的摩擦角δ的范围为 13.2°～19.1°，则摩擦系数μ=0.234～0.346。所以在本算例中，取桩土间的摩擦系数μ=0.3进行分析。

1.4 模型验证

不同竖向荷载作用下本文有限元模型的桩顶Q-s曲线和文献[6]中试验所得桩顶Q-s曲线的对比如图2所示。图中可以看到两者没有完全吻合，但两者的走势和偏差不是很大，引起偏差的原因是由于模型为实际工程的简化，部分数据也是依据实际工程进行估算取值，所以偏差是可接受的。

图2 有限元模型和试验Q-s曲线对比

2 计算结果及分析

有限元分析过程分两步：第一步施加初始地应力，桩和对应土层施加相同的材料参数，以防止桩土截面产生额外的剪应力。初始有效应力认为同一土层随深度呈线性变化，土侧压力系数K0取0.46；第一步分析结束，地应力平衡将使所有土体沉降和应变归零，只剩初始地应力以便于下一步施加外荷载。第二步将桩的重力差以体力方式进行施加，第三步施加外部荷载。

2.1 桩侧平均摩阻力与桩底承载力

图3 不同荷载作用下平均桩侧摩阻力分布

从图3可以看出，随着荷载的增加，侧摩阻力随之增加，且桩身中部摩阻力发挥程度比桩身下部摩阻力发挥充分，这说明桩端位移小，导致桩身下部摩阻力难以充分发挥。此外，在深度为20 m和40 m附近，侧摩阻力均有软化现象，结合模型土层划分分析，软化区域处在软弱土层和土层分界处，说明土层分界处由于土体参数的突变会导致侧摩阻力的软化效应。

图4 不同荷载作用下桩身分布

图5 不同荷载作用下桩端承载占总承载力的百分数

由图4可以看出，由于侧摩阻力的作用，桩身轴力从上到下逐渐减小，随着桩顶荷载的增加，桩身轴力从上到下减小幅度增大，说明桩侧提供承载力越多。结合图5可知，对于超长桩，桩端承力所占总承载力的百分比小于40 %，荷载越大，桩端承载力所占比例越小，说明超长桩表现出摩擦桩的性质，这与之前的文献研究结论一致。[13-14]

2.2 持力层弹性模量对承载性能的影响

图6为竖向荷载是6 000 kN时不同持力层弹性模量下所得到的桩侧摩阻力分布。图7是桩底土弹性模量为15 000 MPa时桩侧平均摩阻力分布。结合图3，图6和图7可以得到，当持力层弹性模量较小时，桩下部的摩阻力得到发挥；相反，当增大持力层弹性模量后，桩顶荷载增加，桩下部的侧摩阻力并没有随之增加，这与文献[15]得出的随着荷载的增加，桩侧摩阻力从上部到下部依次发挥的结论有所差异。造成这种差异的原因是因为若持力层的弹性模量较大，桩端位移小，因此桩下部摩阻力较难发挥。因此桩侧摩阻力的分布与桩端所处土层的性质有很大的相关性。