单桩静载实验的有限元模拟分析

陆志杰 张 平

(河北大学建筑工程学院，河北 保定 071000)

单桩静载实验的有限元模拟分析

陆志杰 张 平

(河北大学建筑工程学院，河北 保定 071000)

基于某工程钻孔灌注桩的静载实验资料，运用有限元分析软件Plaxis对单桩的加载实验曲线进行了数值模拟计算，通过运用Hardening-Soiling和Mohr-Coulomb两种土体模型进行模拟，并最终得出了理想的结果，从而论证了Plaxis有限元软件模拟分析的可行性和实用性。

Plaxis，灌注桩，数值模拟，荷载沉降曲线

0 引言

近年来，我国持续进行大规模的工程建设，在此过程中，遇到了大量的复杂岩土工程问题，对于这些问题，仅依靠规范建议的简化分析方法是不够的，需要采用有限元方法进行更精确的分析。Plaxis 岩土工程有限元分析软件是用于解决岩土工程的变形、稳定性及地下水渗流等问题的通用有限元软件，它计算功能强大、运算稳定、界面友好，能够解决很多的岩土工程问题。目前已经成为世界上流行的岩土工程有限元软件。本文以具体工程中的某单桩静载实验中的单桩沉降量为研究对象，采用了Hardening-Soiling和Mohr-Coulomb两种不同的模型，对土体、单桩、竖向荷载进行了模拟，得出了计算结果，通过与具体的工程实际数据对比，论证了Plaxis有限元分析软件进行数值模拟的可行性与实用性。

1 工程地质概况

本工程位于河北省唐山市海港开发区港盛街北侧，海平路东侧，工程名称为鸿福小区住宅楼项目，主体结构为剪力墙结构，基础采用φ400 mm,有效桩长为15.5 m的灌注桩桩型，拟建场地地形平坦，无较大高差。根据唐山博汇工程技术有限公司提供的《鸿福小区北区岩土工程勘察报告》，本次勘察揭露40.00 m深度范围内根据其岩性及物理力学性质划分为以下9个工程地质层，其中①层填土为第四纪人工堆积成因，②层粉砂及以下土层为第四纪冲洪积成因。简述如下：

①填土：褐黄色，松散，稍湿，以粉细砂为主，含贝壳碎屑。场区普遍分布，层厚：1.00 m～4.00 m，平均2.16 m；层底埋深：1.00 m～4.00 m，平均2.16 m。②粉砂：褐黄色，松散～稍密，湿～饱和，以长石、石英为主，含云母、粘粒，磨圆度中等，分选均匀，级配差。场区普遍分布，层厚：1.40 m～5.20 m，平均3.15 m；层底埋深：4.10 m～7.40 m，平均5.31 m。③粉砂：灰色，稍密，饱和，以长石、石英为主，含云母，磨圆度中等，分选均匀，级配差，土质均匀。场区普遍分布，层厚：1.10 m～6.20 m，平均4.83 m；层底埋深：6.10 m～11.50 m，平均10.14 m。④粉质粘土：灰色，可塑，切面稍有光泽，干强度及韧性中等，无摇震反应，中压缩土。场区普遍分布，层厚：0.50 m～5.10 m，平均1.58 m；层底埋深：10.30 m～13.10 m，平均11.72 m。⑤细砂：灰色，中密，饱和，以长石、石英为主，含云母，磨圆度中等，分选均匀，级配差，土质均匀。场区普遍分布，层厚：0.70 m～3.70 m，平均2.16 m；层底埋深12.10 m～14.90 m，平均13.88 m。⑥粉质粘土：灰色，可塑，切面稍有光泽，干强度及韧性中等，无摇震反应，土质均匀，中压缩土。场区普遍分布，层厚：0.60 m～3.30 m，平均1.90 m；层底埋深14.80 m～16.90 m，平均15.78 m。⑦细砂：灰色，中密～密实，饱和，以长石、石英为主，磨圆度中等，分选均匀，级配差，含云母。场区普遍分布，层厚：0.50 m～3.70 m，平均2.37 m；层底埋深16.80 m～19.00 m，平均18.15 m。⑧粉土：浅灰色，稍密，湿～饱和，切面粗糙，干强度及韧性中等，摇震反应中等，土质均匀，中压缩土。场区普遍分布，层厚：2.80 m～5.40 m，平均4.00 m；层底埋深21.20 m～23.50 m，平均22.14 m。⑨细砂：褐黄色～灰色，密实，饱和，以长石、石英为主，磨圆度中等，分选均匀，级配差，场区普遍分布。各层土的主要物理力学性质指标见表1。

表1 唐山市海港开发区鸿福小区住宅楼工程土体物理力学性质指标

本工程桩静载荷试验共进行3根，本文取其中一根桩101井桩进行分析静载试验采取慢速维持荷载法，共分10级加荷，每级荷载100 kN，第一级加载值为分级荷载的2倍，按规范规定或有关方要求进行，本次试验最大加载至1 000 kN即终止加荷。

2 有限元分析模型和结果

2.1 模型的建立

本文采用有限元软件Plaxis对桩基竖向承载性能进行模拟分析，有限元模型采用平面应变模型进行计算，具体土体划分与网格划分如图1和图2所示，计算中，桩体采用板单元进行模拟，模型采用线弹性模型，土体采用M-C和H-S两种模型进行对比分析，桩土界面单元引入界面单元接触面系数进行模拟，变形后的网格和有效应力如图3和图4所示。

2.2 对101井桩的模拟分析情况

101井桩的单桩承载力特征值为500 kN,在工程实际中，加载到极限荷载1 000 kN时，桩的最大沉降位移为9.92 mm,运用Plaxis有限元软件对单桩静载过程进行分析，当土体采用Mohr-Coulomb模型时，得到桩的最大沉降位移为13.4 mm，而采用Hardening-Soiling模型时得到的最大沉降位移为11.3 mm, 更接近于真实的沉降位移，不仅如此，当土体采用Hardening-Soiling模型时，每级荷载下的沉降位移误差都要比采用Mohr-Coulomb模型时小，说明Hardening-Soiling模型在分析单桩沉降位移时比Mohr-Coulomb模型更具精确性。具体荷载位移曲线和误差对比见图5～

图7和表2。

表2 各级荷载下的数据详细对比

3 结语

本文通过对单桩静载实验的全程进行数值模拟，取得了较好的模拟结果，在Plaxis软件中应用不同的土体本构模型分析板桩结构后发现，H-S模型能更真实的模拟土体的非线性状态，更接近于实测数据，因此，在用Plaxis 进行单桩静载试验模拟时，建议采用H-S模型，另外，关于数值模拟分析的误差情况，一部分和计算所采用的参数有关，另外也和计算所采用的理论有关，Plaxis是采用有限元方法进行计算的，其理论基础是建立在连续介质的假设上，即网格之间不能有空隙，节点不可能脱离，而实际工程中的土体严格来说并不是连续体，而是介于弹性和塑性之间的物质，而且网格的划分也有不合理的地方，所以误差是肯定会存在的，但从结果来看，采用Plaxis有限元软件模拟分析单桩静载实验过程是可行的。

[1] 郑颖人，赵尚毅，邓楚键，等.有限元极限分析法及其在岩土工程中的应用.中国工程科学，2006(5)：30-31.

[2] Plaxis V8示范手册.

[3] 尚继发.浅析PLAXIS在载荷试验中的应用.科技创新导报,2011(8)：77-79.

[4] 滕海生,郑立孝.基于PLAXIS的新旧路基结合部台阶开挖方案的有限元分析.森林工程,2012(2):75-78.

[5] 刘振兴.基于北京理正岩土软件和PLAXIS的软土地基加筋路堤稳定性计算方法研究.成都：西南交通大学,2012.

[6] 朱百里，沈珠江.计算土力学.上海：上海科学技术出版社，1990.

[7] 《桩基工程手册》编委会.桩基工程手册.北京：中国建筑工业出版社，1995.

[8] 陈希哲.土力学地基基础.北京:清华大学出版社，2002.

[9] 宋二祥.土工结构安全系数的有限元计算.岩土工程学报,1997,19(2):1-7.

[10] Takada N, Oshima A. Field and Centrifuge Model Test on Heavy Tamping Ground Deformation, Earth Pressure and Strength Increase.Proc. of the Japan Society of Civil Engineering,1993,47(6)：127-134.

Finite element simulation analysis of single piple load test

Lu Zhijie Zhang Ping

(CollegeofBuildingEngineering,HebeiUniversity,Baoding071000,China)

Based on the static load test data of a project, the load test curve of single pile is calculated by using finite element analysis software Plaxis. The simulation results are obtained by using Hardening-Soiling and Mohr-Coulomb two models, and the feasibility and practicability of Plaxis finite element software simulation are demonstrated.

Plaxis, perfusion pile, numerical simulation, load settlement curve

2015-08-18

陆志杰(1990- )，男，在读硕士； 张 平(1990- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)33-0064-02

TU473.1

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