单桩与群桩加固软土地基的有限元分析

贾 洪 涛

(中车沈阳机车车辆有限公司，辽宁 沈阳 110036)



单桩与群桩加固软土地基的有限元分析

贾 洪 涛

(中车沈阳机车车辆有限公司，辽宁 沈阳 110036)

利用大型有限元分析软件，对竖向荷载作用下单桩和群桩性状进行数值分析，给出了有限元计算中土体和桩体本构关系模型，分析桩长、桩身直径对单桩基础和群桩基础的荷载—位移曲线的影响规律，为软土地基的设计提供参考依据。

单桩，群桩，有限元分析，承载力，荷载

0 引言

桩基础具有承载力高，稳定性能好，基础沉降小而且比较均匀，抗震性能好以及能适应各种复杂地质条件等特点。对于桩基础的研究已经从应用推广转向提高技术水平的方面，针对不同地质状况的建筑物形式采用与之相适应类型的桩体。由于现场的试验周期长，费用高及试验条件的限制，工程技术人员及研究者尝试采用各种方法。李颖[2]、汤斌[3]等学者开始利用数值分析的方法对桩基础问题进行求解，并取得了许多成果；但大多没有考虑桩和土之间的接触问题[4-12]，笔者在前人研究的基础上，利用有限元分析软件进行数值模拟，分析采用接触单元时桩长和桩身直径对柱基础承载力的影响因素，以期得出一些有实际意义的结论。

1 材料的本构关系

模型弹塑性有限元单元模型中采用Drucker-Prager模型。D-P模型的屈服与破坏准则考虑了土中主应力对屈服与破坏的影响,是理想弹塑性屈服准则。

其屈服函数为：

式中：I1——第一应力不变量；

J2——第二偏应力不变量；

α，k——材料常数，认为桩体为弹性体。

2 有限元模型的建立与网格划分

2.1 单桩与土体的模型与有限元网格划分

利用有限元分析软件建立桩土的三维有限元接触单元的数值模拟。在建立有限元模型时利用对称性原理，桩和土体取1/4模型计算。对计算模型施加合理的约束。上表面自由无约束，底面边界面为固定约束，侧面边界约束水平位移。为更好的符合工程实际，加载过程采用逐级加载，每级加载量为试验荷载的1/12～1/15，加载位置在桩体表面。

2.2 群桩与土体的模型与有限元网格划分

群桩与土体相互作用分析采用二维有限元接触单元的数值模拟。在建立有限元模型时在桩体与桩间土，桩体与垫层设置接触单元。

3 有限元结果与分析讨论

3.1 单桩加固软土地基的有限元分析

当桩径d=100 mm时，取桩长分别为L=2 m，5 m，8 m即长径比L/d=20,50,80，在竖向荷载作用下，从不同桩长下单桩加固软土地基的荷载—沉降关系曲线可以看出，荷载—沉降关系曲线越平缓，承载力随桩长增加的速度变缓，桩长越长，在同荷载下，相应的单桩承载力越高，沉降趋于减小。

当桩长L=5 m时，取桩身直径分别为d=200 mm，100 mm，50 mm，在竖向荷载作用下，从不同桩身直径下单桩加固软土地基的荷载—沉降关系曲线可以看出，桩长不变，桩径增加时，荷载—沉降曲线并不是线性变化的，长径比L/d=25，桩径d=200 mm 变化到长径比L/d=50，桩径d=100 mm时，荷载—沉降曲线趋于平缓，单桩承载力提高明显，长径比L/d=50时承载效果最好。

3.2 群桩加固软土地基的有限元分析

桩数为4根群桩基础，当桩径d=100 mm时，取桩长分别为L=3.5 m,5 m,6 m，在竖向荷载作用下，得到不同桩长下群桩加固软土地基的荷载—沉降关系曲线。

由结果可知，当桩长等于3.5 m时，随着桩长的增加沉降量急剧增大，桩长等于5 m时，随着桩长的增加沉降量逐渐的增大，当桩长等于6 m时，随着桩长的增加沉降增加的趋势开始平缓。

桩数为4根群桩基础，当桩长L=5 m时，取桩身直径分别为d=200 mm，100 mm，50 mm，在竖向荷载作用下，得到不同桩身直径下群桩加固软土地基的荷载—沉降关系曲线。

由结果可知，随着桩径的增加，对应的荷载—沉降曲线呈线性变化趋势，当桩径等于200时和50时的沉降曲线基本是重合的，说明随着桩身直径的增加对沉降影响不明显。

4 结语

1)在桩长不变时，单桩软土地基的沉降量不是随着桩身直径的增加而增加的，当L/d=50，d=100 mm时，相应的单桩承载力是最大的；在桩径不变时，桩长的影响较小。

2)在桩长不变时，桩径增加到一定的情况下沉降量基本不变，说明随着桩身直径的增加沉降是趋于稳定的。在桩径不变时，随着桩长的增长，群桩软土地基的沉降量越来越小，但减少的趋势是逐渐平缓的。

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The finite element analysis on single pile and group pile reinforcement soft soil foundation

Jia Hongtao

(CRRCShenyangLocomotiveVehicleLimitedCompany,Shenyang110036,China)

Using the large-scale finite element analysis software, this paper made numerical analysis on the single pile and group pile behavior under vertical load, gave the soil body and pile body constitutive relation model in finite element calculation, analyzed the influence law of load-displacement curve of pile length, pile diameter to single pile foundation and group piles technology, provided reference for the design of soft soil foundation.

single pile, group pile, finite element analysis, bearing capacity, load

1009-6825(2016)11-0056-02

2016-02-02

贾洪涛(1961- )，男，高级工程师

TU447

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