循环荷载作用下单桩摩阻力数值模拟

曹新恒 程志强 马 晶

0 引言

我国早期修建的桥梁随着设计荷载等级不断提高迫切需要进行加固与改造,这样才能满足日益繁重的交通运输要求。桩基础作为桥梁基础的主要形式之一,其承载能力是否满足更高荷载的要求,在长期活载作用下其承载能力的变化规律是直接关系到如何对桥梁进行加固和改造的关键问题之一。本文采用ABAQUS有限元数值模拟软件,针对桩长为20 m、桩径1 m的桥梁桩基在不同土层、不同循环荷载作用下的变化情况进行了数值模拟分析。

表1 材料参数

1 有限元模型基本假定及材料参数

竖向荷载作用下的桩土相互作用简化为轴对称的平面模型。桩身采用CAX4R单元、桩周土采用CAX8R单元。桩周土为匀质土;桩为弹性材料。材料参数见表1。

2 荷载确定

2.1 荷载值的确定

根据使用状态下的桥梁桩基础的受力特性,对现有的桥梁设计及使用情况进行调查统计分析,得到活载比例为20%～40%。两种土层中的荷载计算结果见表2。

表2 不同土层荷载参数表 MPa

2.2 加载方式

桩顶荷载采用正弦曲线变化方式加载,加载式如下:

其中,Q(t)为实际加载在桩顶荷载,kPa;Q0为加载在桩顶的恒载;W为动力荷载的平衡荷载值,kPa;A0为动力荷载的半幅值,kPa;t为加载时间,s。

3 数值模拟结果分析

3.1 桩侧摩阻力随循环荷载作用次数的变化

模拟计算的结果表明桩侧摩阻力在循环荷载作用下是不断变化的,两种土中变化情况见图1,图2。

从图1中可以看出在 E=6 MPa的黏性土中2万多次的循环加载周期内桩侧摩阻力发生了比较明显的变化,其变化概括为:1)桩侧摩阻力在两端不断减小中间增大,桩侧摩阻发生转移;2)桩侧摩阻力在循环加载初期变化较大,随着循环次数的增加这种趋势逐渐减小,加载后期基本上不再变化;3)荷载比对桩侧摩阻力变化速度有较大影响,同时也会影响到摩阻力沿桩身的分布,荷载比越大摩阻力增加越快、摩阻力分布越向桩身的中段集中。

从图2中可以看出在E=60 MPa的黏性土中桩侧摩阻力的变化特点是:1)沿整个桩长范围内桩侧摩阻力随循环荷载作用次数的增加逐步增长;2)循环荷载比越大桩侧摩阻力的增加幅度越高;3)桩底摩阻力增加明显,在循环加载作用下桩底摩阻力不断强化,40%动载比时桩底处摩阻力增加了95%;4)由于土的弹性模量比较大,桩侧摩阻力的变化非常稳定。

3.2 循环荷载作用下桩侧土总摩阻力变化趋势

桩侧摩阻力分布的变化必然会影响到桩侧土对桩基础总摩阻力的变化,从桩侧总摩阻力变化趋势可以看出:1)活载的比例会影响到桩侧摩阻力的增长速率,活载比例越小桩侧摩阻力增加越慢,达到稳定所需要的循环次数越多;2)在弹性模量较高的土层中活载比例越高桩侧摩阻力的提高程度越大;3)土的弹性模量对摩阻力的变化趋势有明显影响:弹性模量小桩侧摩阻力增加快、趋于稳定所需循环加载次数少,弹性模量大桩侧摩阻力增长平缓、达到稳定所需循环加载次数多。循环加载前后桩侧总摩阻力变化情况如表3所示。

表3 循环加载前后桩侧总摩阻力变化情况

4 结语

本文通过对循环荷载作用下的桩基础进行有限元数值模拟分析得出:1)桩侧摩阻力在循环荷载作用下随着加载次数的增加逐渐增加;2)桩侧摩阻力的提高存在一个极限值,达到极限值之后不再提高;3)土的弹性模量对桩侧摩阻力变化速率的影响比荷载比更加明显,在弹性模量比较高的时候桩侧摩阻力的增加与循环荷载作用次数近似呈线性关系。

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