轴向荷载作用下灌注桩数值模拟

陈 立,赵 敏,方俊林

(1.西安工业大学 建筑工程系,陕西 西安 710032;2.河南工业大学 土木建筑学院,河南 郑州 450052)

近年来，大直径灌注桩由于成桩质量好、单桩承载力高，能较好地适应复杂地质条件以及各种荷载情况，在高层建筑物及公路建设中逐渐被广泛采用.在现有规范中[1]，钻孔灌注桩承载力计算由桩侧阻力和桩端阻力两部分组成，桩侧阻力和桩端阻力为定值，计算简单明了.但在工程实践中发现，它们并非为定值，桩端阻力和桩侧摩阻力相互协调发挥问题成为桩基础设计中不可避免的问题[2-10].本文运用数值分析方法对灌注桩的桩—土相互作用进行模拟，在分析中采用弹塑性模型，引入了接触面单元，并且考虑了土体的材料非线性，正确的模拟了桩的受力机理，桩侧摩阻力和桩端阻力，并进行了分析与探讨.

1 模型的建立

1.1 模型参数

桩长16 m，桩径0.8 m，桩身为弹性体，桩头自由并与土体表面齐平.采用FLAC3D建立有限元模型，土体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，材料参数见表1，模型见图1.

表 1 土体及桩体参数Tab.1 Parameters of soil and pile

图1 有限元模型Fig.1 FEM model

1.2 网格划分及边界条件

桩身左右土体取20 m，桩端以下土体取3 m土体左右，两侧边界分别约束其水平位移，固定土体底部边界三个方向的位移，单元尺寸、节点和单元体个数通过多次试分析并优化产生.

1.3 接触面设置及参数取值

2 计算结果及分析

在本次模拟中，首先，建立的模型全部采用土体参数，施加初始地应力，计算平衡后，将所有土体沉降和应变归0，加入桩、接触面，设置正确的桩体和土体模型的参数，计算平衡，将所有应力和应变再次归0，在桩顶上逐级应力加载，计算结束后提取每级荷载下的桩顶位移、桩身轴力及桩端阻力.

2.1 P-S曲线

桩的荷载—沉降曲线的线型是桩身材料或桩周土破坏机理和破坏模式的宏观反映[9，10].图2给出了荷载—沉降关系曲线，从图中可以看到，桩在荷载作用下，试桩荷载—沉降曲线近似呈抛物线.

图2 桩长8 m的P-S曲线Fig.2 P-S curve of 8 m pile

2.2 轴力及侧摩阻力曲线图

各级荷载下的桩轴力沿桩身分布曲线如图3 所示.由图3可知， 桩轴力沿桩身呈非均匀分布状态，桩顶至桩底轴力逐渐减小； 但各个位置上的轴力随桩顶荷载的增大而增大，桩轴力分布自上而下逐渐减小，在桩顶荷载较小时，桩底轴力几乎为0，荷载全部由侧摩阻力承担.随着荷载的增大，侧摩阻力发挥到一定程度后不能再完全承担起桩顶荷载，于是桩底段轴力的增大，即桩端阻力逐渐发挥作用.如图4所示.从图4还可以看出：桩侧摩阻力的分布形式在桩顶荷载较小的情况下略有区别，随着桩顶荷载的增加，桩侧摩阻力的分布形式趋于相似.

图3 各级荷载下沿桩身的轴力曲线 Fig.3 Axial force curve along the pile with different loads

图4 各级荷载下沿桩身的桩侧摩阻力曲线Fig.4 Side resistance curve along the pile with different loads

2.3 荷载分担曲线

对于本次模拟的桩的情况，在1 750 kN桩顶荷载之前，桩顶荷载大部分由桩侧摩阻力来承担，随着荷载的增加，桩侧摩阻力不能够承担荷载的时候，桩端阻力开始发挥主要作用.桩端阻力与桩侧阻力荷载分担情况见图5.从图5可以看出，桩顶荷载超出侧摩阻力总和部分将由桩端阻力承担， 桩侧摩阻力和桩端阻力共同承担起桩顶荷载.

图5 桩端阻力与桩侧阻力荷载分担情况Fig.5 Distribution of the load between pile tip resistance and side resistance

4 结 论

本文从桩体受力分析出发，运用数值分析手段，分析研究了单桩荷载传递机理，分析了桩身轴力、桩侧摩阻力及桩端阻力的变化情况，得到以下结论：

(1)通过桩顶沉降、轴力和侧摩阻力的曲线图可以发现，数值模拟值与理论计算和已有的实际工程得出的曲线变化趋势基本一致.说明本次数值模拟参数的取值的正确性.

(2)桩轴力沿桩身呈非均匀分布状态， 自桩顶至桩底轴力逐渐减小；但各个位置上的轴力随桩顶荷载的增大而增大.

(3)桩顶荷载超出侧摩阻力总和部分将由桩端阻力承担， 桩侧摩阻力和桩端阻力共同承担起桩顶荷载.

(4)本文建立的计算模型基本反映了桩土的共同作用，并有效模拟了在竖向荷载作用下单桩的受力情况，从而为群桩基础的设计提供了理论依据.

参考文献:

[1] JGJ 94-94, 建筑桩基技术规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1995.

[2] 董金荣.灌注桩侧阻力强化弱化效应研究[J]. 岩土工程学报，2009,31(5):658-662.

[3] 杜 芳.大直径灌注桩荷载传递试验研究和数值分析[J]. 土工基础， 2008,22(1):40-43.

[4] 戴志成,崔树琴.大直径钻孔灌注桩的数值模拟研究[J]. 工程科技， 2008,(5):69-71.

[5] 王 明.超长钻孔灌注单桩承载力计算研究[J]. 黑龙江交通科技， 2009,(5):110-112.

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[9] 刘 波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社, 2005.

[10] 邓友生, 龚维明, 李卓球. 超长大直径单桩荷载传递特性研究[J].公路,2007,(4):73-76.