土体黏聚力和内摩擦角对SPP管桩竖向承载性状的影响

刘东辉 张竹军 翟 莲 杨莹莹 金玉杰 蔡婧娓

1吉林建筑大学土木工程学院（130118）2中建八局发展建设有限公司（130118）

0 引言

桩基所承受的上部竖向荷载最终都传递到桩周土体上，桩-土的相互作用直接影响到桩基的受力和变形性能。但岩土介质的力学性质是非常复杂的，岩土的很多因素都会对其应力、应变和变形产生直接影响，要获得理论解是相当困难的，因此利用有限元分析软件模拟实际情况，研究桩基的承载性状有重要意义。文章运用ANSYS软件通过模型建模、网格划分、分析计算、后处理等流程对SPP桩进行分析。

1 桩、桩周土体材料本构关系模型

基于对桩身材料和土体材料的受力变形性能认识，桩的刚度较大，土体的刚度较小，土体先于桩身发生破坏，桩基承载的极限状态大多由桩周土体的变形及破坏所决定，故桩身混凝土材料很少发生强度破坏[1]。因而，对桩身材料采用线弹性模型；桩身混凝土单元类型采用3D实体单元的Solid65[2]。文章采用Drucker等人在莫尔－库仑屈服准则基础上提出的德鲁克－普拉格屈服准则，土体的单元类型用的是Solid65的3D实体单元；土体的本构关系选取了理想弹塑性模型。

2 模型建立

2.1 参数设置

文章研究不考虑挤土效应影响，土体的泊松比一般采用对分析结果产生微小影响的0.3～0.4范围内任一值[3]，文章取0.35。为研究桩周土黏聚力和内摩擦角对SPP管桩竖向承载性状的影响，根据桩周土参数不同可以划分为表1所列工况，当研究不同黏聚力对SPP管桩竖向承载性状的影响时，内摩擦角取10°，当研究不同内摩擦角对SPP管桩竖向承载性状的影响时，黏聚力取40MPa。

2.2 模型尺寸设置

本次模拟选取的模型尺寸是桩身长度为15 m，桩径为0.6m，壁厚0.11m，以上尺寸属于相同变量；不同变量是土体的黏聚力和内摩擦角，具体数值见表1。SPP桩自距桩端2m向上设置3层侧肢，每层4个，呈十字形沿桩身对称布置，层间净距2 m，侧肢尺寸均为230mm×100mm×70mm（如图1所示，其中宽度100mm为弧线尺寸），即张压后伸出桩身长度为120mm。

表1 桩与桩周土计算参数及计算工况

图1 侧肢尺寸图

2.3 网格划分

一般认为，沿径向约十倍桩径范围之外的桩周土体几乎不受影响[4]，为考察侧肢存在对土体的作用，土层宽度从桩中心算起取9m，下部土层厚度从桩端算起取为1倍桩长，即土体厚度30m。土体模型下边界可按三向约束处理，侧面约束水平方向位移。由基本假定两种桩型的桩-土均为轴对称共同工作，为缩短ANSYS软件运行时间分别对二者选取1/4对称结构进行分析，两个剖切面上设置法向约束，将三维问题转化为轴对称问题，如图2所示。

图2 桩-土网格划分图

3 有限元分析结果

本节将以侧肢间距为2m，侧肢层数为3层的模型桩来研究土体的黏聚力和内摩擦角对其竖向承载性状的影响。

3.1 土体黏聚力的影响

保持桩侧土体其它参数不变，土体黏聚力分别取值为10kPa、20kPa、30kPa、40kPa、50kPa，对应的 桩 名 称 分 别 为SPP10、SPP20、SPP30、SPP40、SPP50，名称后边的数字代表黏聚力的数值。黏聚力的改变对SPP管桩桩顶沉降及桩的侧摩阻力的影响如图3和图4所示。

图3 不同土体黏聚力对应的Q-s曲线

图4 不同土体黏聚力对侧摩阻力的影响

由图3表明，当桩身和土层等的参数不变，桩顶荷载小于2000kN时，各桩的Q-s曲线变化趋势基本相同，且基本上成线性变化，说明此时土的黏聚力的变化对桩顶沉降影响不大，桩周土仍处于弹性变形阶段。随着荷载继续增加，桩顶沉降随黏聚力的增大而减小，说明桩的竖向承载力得到提高。当桩顶竖向荷载达到极限荷载3550kN时，不同土体黏聚力所对应的桩顶沉降量分别为48.47mm、42.41mm、39.82mm、37.23mm、36.12mm，显然土体黏聚力大小对SPP管桩的承载性能具有明显影响，但黏聚力从10kPa变为20kPa时，桩顶沉降量减小最明显，粘聚力再变大，桩顶沉降量减小幅度变小，说明20kPa的黏聚力在提高单桩竖向荷载承载力方面效果最好。

图4显示，模型的侧摩阻力变化分为桩身部分和侧肢部分。不同土体黏聚力对桩侧部分的侧摩阻力的影响很小，5条线几乎重合，只有侧肢底部的侧摩阻力因土体黏聚力的不同略微有所改变。结合Q-s曲线可以推断，土体黏聚力对SPP管桩的影响主要体现在桩端土处，而且受荷载传递规律影响侧摩阻力随外荷载的增加逐步发挥作用。

3.2 土体内摩擦角的影响

保持桩侧土体其它参数不变，土体内摩擦角分别取值为10°、20°、30°，对应的桩名称分别是SPP1、SPP2、SPP3，名称后边的数字代表内摩擦角分别为10°、20°、30°。土体内摩擦角的改变对SPP管桩桩顶沉降及桩侧摩阻力的影响如图5和图6所示。

图5 不同土体内摩擦角对应的Q-s曲线

图6 不同土体内摩擦角对侧摩阻力的影响

图5显示，曲线分为三部分:第一部分是荷载在0kN～1500kN，三条曲线几乎重合，说明加载初期，内摩擦角对SPPS管桩桩顶位移的影响不大。第二部分是桩顶竖向荷载随处于1500kN～2800kN之间，三条曲线逐渐分离且桩顶沉降量随着内摩擦角的增加而增大，说明随着荷载的增加，内摩擦角对桩顶沉降量的影响变大；第三部分是桩顶竖向荷载在2800kN到极限荷载之间，桩顶沉降量随内摩擦角的增加而逐渐减小，接近竖向极限荷载3550kN时，桩顶沉降已经随内摩擦角的增加而减小。图5中显示，内摩擦角为10°的Q-s曲线在竖向荷载为2800kN时有明显的拐点，土的塑性性状表现比较突出，竖向极限承载力水平相对较低；当土体内摩擦角大于20°时，随着内摩擦角的增大，SPP管桩的竖向极限承载力得到了较大的提高，但各曲线变化幅度并不大。当竖向荷载达到3550kN时，内摩擦角为10°、20°、30°对应的的桩顶沉降量分别为49.00mm、42.00mm、40mm，由此得出SPP管桩桩顶沉降量随内摩擦角变大而减小，说明竖向极限承载力随内摩擦角的增大而增大。

图6表明，对侧摩阻力的研究分为桩身侧摩阻力和侧肢下部侧摩阻力两部分。桩身部分的侧摩阻力随着土体内摩擦角的增大而减小，但是变化幅度不大，接近桩底位置处，土体的端阻力增大到最大值，然后开始变小直至减小为零。侧肢位置越往下，其底部土体的端阻力越大。由此说明，侧肢底部土体端阻力及桩端阻力对SPP管桩的竖向极限承载力的增加贡献较大。