长径比对桩基端阻力和侧摩阻力影响的数值模拟

史日磊 孙 超 郭浩天 周艳生

(吉林建筑大学 测绘与勘查工程学院,长春 130118)

0 引言

桩基侧阻力、端阻力协同工作机理是研究桩基承载性状等的关键问题之一[1],为了最大程度发挥桩基阻力与端阻力协同工作的承载潜力,使其在满足上部结构要求和安全的前提下,能充分发挥二者的承载潜能,共同承担上部荷载[2].文章通过FLAC3D数值模拟软件分析不同长径比条件下桩侧摩阻力与桩端阻力在竖向荷载作用下的分布规律,找出在不同长径比条件下二者协同工作的规律,进而为桩基设计提供参考.

1 桩侧摩阻力与桩端阻力的数值模拟

1.1 模拟模型及参数选取

本次建模中,由于研究对象为轴对称,故取其 1/2 建模分析.土体范围:周围土体取桩径的15倍值,并在桩端以下采取桩长的1.5倍值,为简化过程分析,将桩所穿过土体假设为均质土[3].模型坐标的原点位于桩顶,桩土采用实体单元,并在桩土之间设置接触面来模拟侧摩阻力.

本次数值模拟使用摩尔-库伦模型[4](Mohr-Coulomb Model),桩体计算采用各向同性弹性模型[5](Elastic)模拟时固定桩径分别选取桩长为20d(12m),30d(18m),40d(24m),50d(30m),进行比较分析,加载方法为在桩顶上逐步施加荷载.

(1) 模型立体图如图1所示 ,模型正面图如图2所示

图1 模型立体图Fig.1 Model stereogram

图2 模型正面图Fig.2 Model front view

(2) 桩、土物理力学参数见表1

表1 桩、土物理力学参数Table 1 Physical mechanical parameter for pile and soil

2 模拟结果及分析

2.1 不同长径比条件下Q-S曲线分析

图3 不同长径比条件下荷载-沉降曲线Fig.3 Load-settlemet curve under different ratios of the length to the diameter

桩的荷载-沉降曲线是研究桩体受力的一种重要形式[6],由此曲线可以得出桩在不同荷载下的沉降,并且能够得到桩所能承受的极限荷载.荷载-沉降曲线如图3所示.

图3为不同长径比条件下的Q-S曲线图,即在桩径为600mm,取不同桩长分别为12m(20d),18m(30d),24m(40d),30m(50d)条件下,得到的荷载-沉降关系图.由此可以得出长径比越大,Q-S曲线的拐点对应的荷载越大,同时长径比越大,桩身所能承受的荷载越大,且随长径比的增加,在相同荷载条件下桩顶沉降减小明显.所以增加桩长能够在一定程度上减少桩顶沉降，并且可以适当地提高桩的承载能力.

2.2 轴力分析

桩身轴力分析是研究桩荷载传递的重要方法[7],通过轴力曲线的分布可以定性地分析荷载在桩身的传递.图4～图7分别为不同桩长时轴力沿桩身的变化曲线.

由图4～图7轴力沿桩身变化的曲线可以看出,桩身轴力在桩顶处最大,随深度增加逐渐减小;桩身上部轴力衰减缓慢下部衰减明显加快,且随着桩长的增加衰减越明显[8].

图4 12m桩长轴力变化曲线Fig.4 Axial force curve of 12m pile

图5 18m桩长轴力变化曲线Fig.5 Axial force curve of 18m pile

图6 24m桩长轴力变化曲线Fig.6 Axial force curve of 24m pile

图7 30m桩长轴力变化曲线Fig.7 Axial force curve of 30m pile

2.3 桩侧摩阻力分析

通过数值模拟分析得到不同长径比条件下桩侧摩阻力沿桩身变化曲线图如图8～图11所示.

图8 12m桩长侧摩阻力变化曲线Fig.8 Lateral friction curve of 12m pile

图9 18m桩长侧摩阻力变化曲线Fig.9 Lateral friction curve of 18m pile

图10 24m桩长侧摩阻力变化曲线Fig.10 Lateral friction curve of 24m pile

图11 30m桩长侧摩阻力变化曲线Fig.11 Lateral friction curve of 30m pile

由图8～图11可知,对于同一桩长的单桩桩侧摩阻力在土层分界处出现了明显的转折现象.在不同荷载作用下,桩侧阻力在桩同一位置处随着荷载的增加而增加.对于不同长径比的单桩而言,当桩顶荷载较小时,长径比较小的单桩侧摩阻力沿桩身变化不大,对于长径比较大的单桩而言,桩身下部的侧摩阻力还未完全发挥.随着桩顶荷载的增加,对于长径比较小的单桩而言,侧摩阻力沿桩身接近线性分布,对于长径比较大的单桩而言,桩侧摩阻力开始出现倾斜弯曲,当荷载接近极限时,桩侧摩阻力曲线接近于直线分布.同时我们还可以看出,长径比越大,桩身侧摩阻力达到极限时所对应的桩顶荷载越大.

2.4 桩侧摩阻力、桩端阻力荷载分担分析

桩端阻力与桩侧摩阻力荷载分担反映了桩承载力的发挥程度[9],通过数值模拟分析得到不同长径比条件下桩端阻力与桩侧摩阻力荷载分担曲线图,如图12～图15所示.

图12 12m桩长荷载分担曲线Fig.12 Load share curve of 12m pile

图13 18m桩长荷载分担曲线Fig.13 Load share curve of 18m pile

图14 24m桩长荷载分担曲线Fig.14 Load share curve of 24m pile

图15 30m桩长荷载分担曲线Fig.15 Load share curve of 30m pile

由图12～图15分析可知,桩端阻力随桩顶荷载的增加而缓慢增加,并且随着桩长的增加增长趋于缓慢.对于不同长径比的单桩,随着桩长的增加,桩侧摩阻力在桩同一位置处持续增加.当荷载较小时,荷载主要由侧摩阻承担.随着荷载增加,桩身下部侧摩阻力开始承担荷载,此时桩侧摩阻力进一步发挥,桩端土层受到压缩,桩端阻力产生.当桩达到极限承载能力时,桩侧摩阻力也达到极限值,桩端阻力进一步发挥,最终由桩端阻力与桩侧摩阻力共同承担荷载[10].

3 结论与建议

3.1 结论

(1) 在不同长径比条件下,桩侧摩阻力随桩顶荷载的增加,接近呈线性关系.长径比越大,桩侧摩阻力达到极限时所施加的荷载越大,并且轴力衰减越快.

(2) 当施加荷载较小时,长径比较小的桩侧摩阻力发挥程度要大于长径比较大的桩,并且随着荷载的增加,桩侧摩阻力由桩身自上而下逐步发挥.

(3) 当有荷载作用时,桩侧摩阻力先承担荷载发挥作用,后逐渐由桩端阻力分担,最终桩侧摩阻力与桩端阻力共同承担荷载.

3.2 建议

在桩基的设计过程中要注意充分发挥桩侧摩阻力与端阻力的潜能.相同条件下,可以适当提高长径比,从而使桩侧摩阻力达到极限时承担更多荷载.