斜坡地形桩土相互作用下初始地应力场的处理

甘凤林 闫 冰 周发鑫

(1.东北电力大学，吉林 吉林 132012;2.甘肃省电力设计院，甘肃 兰州 730050)

0 引言

与平坡上的桩基础相比，位于斜坡或陡坡地段的桩基础不仅承受竖向荷载外，还将承受来自斜坡的侧向土压力;与平坡基础周边土体提供的剪切力也有很大的不同;另外，位于斜坡或陡坡地段的桩基础同时具有承载与抗滑的双重功能。上面这些受力特点决定了斜坡桩基受力特性更为复杂。斜坡地形桩土相互作用下初始地应力的处理也将更为麻烦。

本文采用大型有限元软件ANSYS，并考虑桩土接触行为的影响，实现了斜坡地形的初始地应力有限元模拟，为研究斜坡桩基的承载特性打下了基础。

1 算例描述

本文以某斜坡输电线路中典型的平底扩大头扩底桩为分析对象。计算分析中基础露头高度h1为1 m，桩身埋深h2为5 m，桩身直径d为1 m;基础扩底端台阶高度h3为1 m，h4为0.5 m，桩底直径D为2 m，斜坡坡度为45°，如图1所示。土和桩的材料参数见表1。

表1 材料特性

2 有限元模型的建立

以大型通用有限元软件 ANSYS12.0为工具，采用轴对称方法进行模拟，由于ANSYS规定以Y轴为对称轴，在建立有限元模型时，竖向(桩身轴向)为Y轴，水平向为X轴。桩、土均采用二维八节点的实体单元(Plane82)模拟;土体为DP材料;桩与土体界面处设置接触单元Contac172和Targe169来模拟桩—土之间的滑动和开裂，选用库仑摩擦类型。

对模型取足够大的计算边界以消除边界条件对计算结果的影响。经过多次试算，确定土体的计算范围:宽取10倍桩径长，桩底取2.5倍桩长。边界处理:土体区域底部采用全约束，土体侧向仅约束X向位移，计算模型如图2所示。单元选择见表2。

图1 桩结构尺寸

图2 有限元模型

表2 单元选择

3 初始地应力的模拟

初始地应力场是确定桩—土接触的原始条件，直接决定了作用于桩侧表面接触压力的分布与大小，从而影响桩基的力学行为。一般假定桩侧面法向压力为静止土压力。初始地应力场通常可通过计算土体自重得到，但同时会产生初始位移，然而实际上这些变形是早期产生的。进行桩基位移分析时，应扣除这部分早已存在的位移。

商业通用软件中对初始应力场的模拟一直是个难题，ANSYS软件的初应力文件为解决这样的问题提供了可能性，它可以很好的模拟初始应力场并且消除初始位移的影响。初应力场可以通过如下两个过程获得:

1)桩、土各自使用自己的参数、桩—土界面设置接触单元，在重力条件下产生初始位移场(见图3)、初始应力场(见图4)，生成初始应力文件;

图3 初始位移场（Y向）

图4 初始应力场（Y向）

2)首先用EKILL命令杀死接触单元(Targe169和Contac172)，读入初始应力文件后，再利用EALIVE命令激活被杀死的单元，然后施加自重模拟成桩过程中产生的位移场。这样就达到了消除初始位移(见图5)，施加初始应力场的目的(见图6)。

图5 读入初应力文件后的位移场（Y向）

图6 读入初应力文件后的应力场（Y向）

由图3～图6可以看出，通过这种读入初应力文件的方法，土体最大初始沉降位移由24.1 mm减至0.06 mm，很好的消除了初始位移场，而初始应力场变化不大，可以认为较好的保留了初始应力场。

4 结语

本文提出了一种采用有限元软件ANSYS处理斜坡地形桩土相互作用下初始地应力的方法。算例表明该方法可以很好的消除初始位移场，而较好的保留初始应力场。为研究各种岩土问题提供了一种处理复杂初始应力场的有效方法。

[1]何颐华，王铁宏.大直径扩底桩承载力及沉降变形的计算[J］.建筑结构学报，1993，14(2):63-71.

[2]王维金.扩底桩抗拔承载力的分析[D］.长沙:湖南大学，2010.