采动区桩基负摩阻力数值模拟分析

牛月君,李金伟

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454003)

采动区桩基负摩阻力数值模拟分析

牛月君,李金伟

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454003)

利用地表沉降规律和概率积分法对地表土体的沉陷预计，建立与理论相符合的有限元模型。对地表土体的沉陷模拟知，采动桩基负摩阻力是由桩底土体首先发生沉降而引起的，这与天然地基土条件下桩基负摩阻力的产生机理不同；对桩顶进行逐级加载分析表明，桩顶荷载对采动区桩基中性点位置有较大影响，随着桩顶荷载的增加，采动区桩基中性点位置逐渐下移。

采动区；负摩阻力；有限元；产生机理；中性点

我国地下煤炭资源储藏丰富，尤其是建筑物下压煤量巨大[1]，随着煤炭资源的进一步开发利用，建筑物下采煤将成为亟待解决的问题。由于受到地下开采的影响，地表土体会发生水平或者垂直的位移，当土体的沉降量小于桩基沉降量时，桩侧会产生正摩阻力。反之，当土体的沉降量大于桩基的沉降量时，桩侧就会产生负摩阻力。桩侧负摩阻力不但不能为桩基分担荷载，并且会对桩基产生一个下拽力，成为桩基的附加荷载，桩侧摩阻力对建筑物的稳定性有很大影响，严重时会造成基础失稳、上部结构沉降不均匀、建筑物出现开裂等问题[2]。近年来，很多学者对负摩阻力进行研究并取得了成果，如王兰民等[3]通过开展爆破模拟震陷条件，分析研究桩基负摩阻力在地震时的基本特征。孔纲强[4]研究的出同等级地面堆载作用下，扩底楔形桩的桩侧负摩阻力引起的桩顶下拽力最小、桩身下拽力值介于常规楔形状和扩底桩两者之间。黄雪峰[5]在分析黄土浸水试验以及其它桩基浸水试验的研究成果上，揭示了黄土湿陷下限深度与桩基中性点位置的确定关系。但这些研究都是基于天然地基土条件，而采动区桩基负摩阻力的研究还较少，因此，本文针对采动区桩基负摩阻力，研究采动区桩基负摩阻力的产生原因，通过建立数值模型，对桩顶进行逐级加载，分析桩土位移场的变化以及桩顶荷载大小对桩基中性点位置的影响。

1 采动区地表沉降规律

图1 采动区地表沉陷示意图

未经采动的岩层，在地壳内受到各个方向力的约束，处于自然平衡状态。煤层的开采过程中，对于周围岩体产生扰动，上覆岩层产生移动变形，并连续向地表扩展；当采动影响范围扩展至地表后，将在地表形成一个下沉盆地，如图1所示。图1(a)表示在沉降前的情况下地表土体和建筑物的相对位置关系，图1(b)表示收到采动影响地表形成一个下沉盆地，并且带动上部建筑物随着地表一起发生下沉，圆圈所示部分桩基会受到土体沉降的影响，产生桩侧负摩阻力。

地表沉陷预方法有概率积分法、典型曲线法、剖面函数法等。目前，国内运用最为广泛的是概率积分法。概率积分法假设由类似于砂砾或者相对来说很小块的岩石介质颗粒组成，颗粒之间失去联系可以相对运动，颗粒介质的运动用颗粒的随机移动来表征，并把大量的颗粒介质移动看作一个随机过程。当采动区达到充分开采或者超充分开采时，任一点的下沉量为：

(1)

W0=mqcosα

(2)

(3)

式中：W0为地表最大下沉值；r为主要影响半径。

根据实际对应时刻最大沉降量和主要影响半径值可以绘制出概率积分法对于试验组表层土体预计的沉降曲线。

2 有限元模型

运用ABAQUS有限元软件，根据概率积分法，建立一个模型，通过提取沉降过程中桩土位移变化云图，研究采动区桩基负摩阻力产生原因；通过对桩顶进行分步逐级加载，研究地表沉降的影响下桩顶荷载大小对桩基中性点位置的影响。

2.1 模型尺寸及参数确定

本模型将桩基位置定于沉降中心位置，采用轴对称模型进行分析。桩基采用钢筋混凝土材料，其为直径1 m、长度20 m的实心圆柱体。由于材料在竖向荷载作用下很少发生破坏，故将桩身设置为线弹性模型，E=20 GPa，v=0.2。由于土体的应力应变关系具有明显的非线性特征，故将土体设置为弹塑性模型，本模型土体为砂土，E=20 MPa，v=0.35，c=0.1 kPa，φ=30°，ψ=0°。

2.2 网格划分

有限元分析过程中，网格划分影响计算准确性。重点分析桩土接触面上的应力，为了提高计算的准确性，将桩底土体的网格划分的相对较小，桩侧土体桩径5倍长度范围内，土体网格划分密集。模型网格划分如图2所示。

图2 模型网格划分 图3 土体沉降曲线模拟与理论结果对比

3 数值模拟结果分析

3.1 数值模拟结果与理论结果对比验证

提取模型沉降过程中表层土体的沉降量，绘制出表层土体沉降曲线，具体如图3所示，所得结果符合概率积分法的理论规律[7]，因此，该模型可以用来模拟采动区表层土体的沉降。

3.2 采动区桩基负摩阻力产生原因

提取模拟过程中桩土相对位移变化的云图，如图4所示。从图4可以看出，采动区地表土体的沉陷是先从桩底土体开始，再逐渐向上方扩展的。采动区桩基负摩阻力的产生是由下部土体首先发生沉降引起的，之后依次带动上部土体逐渐沉降，这与天然地基土条件下桩基负摩阻力的产生明显不同，如图5所示。

图4 桩土位移变化云图

图5 采动区桩基负摩阻力产生机理示意图

3.3 桩顶荷载对采动区桩基负摩阻力中性点位置的影响

桩基荷载沉降曲线如图6所示。桩基的极限承载力为(沉降量为40 mm)2413.67 kN，设计荷载约为1 200 kN。通过对桩顶荷载进行逐级加载，提取桩侧负摩阻力变化曲线，如图7所示。从图7可以看出，桩顶荷载对桩基中性点位置的影响较大，随着桩顶荷载的逐级增大，桩基侧摩阻力不断增大，桩基中性点位置逐渐上移，桩侧负摩阻力的产生范围逐渐增大。由于受到桩端土体沉降的影响，在采动区桩基负摩阻力始发于桩端。

图6 荷载沉降曲线 图7 采动区不同桩顶荷载对桩侧摩阻力的影响

4 结 语

根据概率积分法建立有限元模型，对采动区地表土体沉陷进行模拟，分析采动区桩基负摩阻力的产生原因及桩顶荷载的大小对桩基中性点位置的影响后得到以下结论：

(1) 提取绘制有限元模型的表层土体沉降曲线，所得结果与概率积分法的理论规律相一致，因此模型可以用来模拟采动区表层土体的沉陷，所得结论具有可靠性。

(2) 采动区桩基负摩阻力是由于桩底土体首先发生沉降，依次带动上部桩基以及土体逐步沉降而引起的，这与天然地基土条件下桩基负摩阻力的产生原因不同。

(3) 桩顶荷载的大小对桩基中性点位置的影响较大。随着桩顶荷载的增加，采动区桩基侧摩阻力不断增大，桩基中性点位置逐渐升高，桩侧负摩阻力的产生范围不断增大。采动区桩基负摩阻力首先产生于桩端，这与采动区桩基负摩阻力的产生原因相吻合。

[1] 孙文华.三下采煤新技术应用与煤柱留设及压煤开采规程实用手册[M].北京:中国煤炭出版社,2005:10-15.

[2] 朱彦鹏,赵天时,陈长流.桩基负摩阻力沿桩长变化的试验[J].岩土力学,2013,34(1):265-272.

[3] 孔纲强.堆载条件下现浇扩底楔形群桩负摩阻力特性研究[J].岩土工程学报,2011，33(s1):364-368.

[4] 黄挺,龚维明,戴国亮,等.桩基负摩阻力时间效应实验研究[J].岩土力学,2013,34(10):2841-2846.

[5] 赵明华,张洋,张永杰,等.倾斜荷载与负摩阻共同作用下的桩基承载特性[J].中南大学学报(自然科学版),2013,44(2):757-763.

[6] 孔纲强,杨庆,杨纲,等.负摩阻力引起的桩身下拽力和桩顶下拽位移研究初探[J].河海大学学报,2010,38(4):411-417.

[7] 何国清.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学出版社,1991:118-147.

Numerical Study on Negative Friction Resistance of Pile in Mining Area

NIU Yuejun,LI Jinwei

(Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China)

Finite element model is established on the basis of surface subsidence law rule and probability integral method. The surface soil subsidence simulation is done,and the simulation result shows that the negative friction resistance is caused by the subsidence of pile-end soil in mining area,which is different with that in traditional nature soil. Through exerting pressure on pile top step by step,the neutral point position on the pile affected by load on pile top. With increasing of the load on pile top,the position of neutral point of pile moves down.

mining area;negative friction resistance;Finite element;reason;neutral point

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.03.005

TU473

A

1674-5403(2017)03-0016-04

2017-04-10

牛月君(1992-)，女，河南焦作人，在读硕士研究生，主要从事岩土工程方面的研究.