螺杆挤压灌注桩荷载位移有限元分析研究

陈晓霞，郑先超，张娇磊，赵韩菲

（安阳工学院，河南 安阳 455000）

0 引言

桩是一种主要的传力构件，它可将建筑物全部或部分荷载传递给地基土，具有一定的抗压刚度和弯曲能力，其横截面尺寸较其自身长度小得多。桩基础由多桩（群桩）埋在桩基中组成，具有承载力高的特点，对于一般的竖直、水平及其动力载荷均可承受[1]。

早在几千年前，人类就在江河流域里使用木桩来搭承台。20世纪20年代，钢板桩最早出现于美国Black Rock Harbor的建设，共使用了6 600吨直钢板。随着钢铁生产技术的不断提高，相关技术也得到了改善。钢桩的出现和使用早于混凝土桩，随着混凝土的性能不断发展和提升，混凝土桩在20世纪开始陆续出现于工程中。19世纪末期，在美国的芝加哥、底特律等大城市土地用房日益紧张、建筑物及其构筑物层数不断增加，人们为了使其能够满足上部荷载的作用，桩基础的截面较大，需要把钢桩打入设计要求的深度，发明出了人工挖孔桩。

1894年Hennebigue发明了预制混凝土桩，1906年配螺旋筋的混凝土桩问世，桩的形状陆续也开始被设计成各种形状：三角形、正方形、六边形等。1949年，预应力钢筋混凝土管桩在美国开始生产[2]。而我国在20世纪50年代才开始生产钢筋混凝土管桩，随后着手研究预应力钢筋混凝土管桩，1970年开始投入工程领域。后来又相继出现灌注桩，随着机械工业的不断发展，出现了钻孔预制桩。目前工程领域常用的灌注桩有：冲孔灌注桩、挖孔灌注桩、全螺旋灌注桩。

有些学者采用不同计算模型对桩体的位移进行了研究[3-7]，本文试图用ANSYS有限元方法对螺杆挤压灌注桩的荷载位移进行分析研究。

1 土体参数

地基土的土工参数见表1。

表1 地基土的土工参数

2 ANSYS有限元模型

2.1 螺杆桩设计参数

桩型参数见表2，螺杆桩设计参数见表3。

表2 桩型参数(m)

表3 螺杆桩设计参数

计算单桩极限承载力标准值见表4。

表4 单桩承载力标准值

2.2 有限元模型的建立

考虑到桩为对称结构，因此可以选取1/4桩土模型进行受力分析，选取1/4桩土模型必须对桩土的侧面和螺杆桩进行加以约束，以等效原来的约束，防止荷载作用在螺杆桩使其为偏心荷载。本文所建立的ANSYS土体模型在X、Y方向的长度均为桩径的10倍，Z方向深度选择桩长的3倍。桩与土体均采用四面体十节点solid92单元，桩周土体约束采用释放竖向约束。其中对桩编号为SZ1（19 m）、SZ2（20 m）、SZ3（21 m），通过ANSYS导出基本模型如下：1/4螺杆桩桩土单元划分模型见图1，1/4螺杆桩桩土模型见图2，螺杆桩添加约束位移云图见图3，其1/4螺杆桩模型见图4。

图1 桩土单元网络划分模型

图2 1/4桩土单元模型

图3 约束后位移云图

图4 1/4单桩模型

3 有限元模型分析

3.1 荷载-位移分布特性

依次计算出SZ1、SZ2、SZ3不同桩长的荷载沉降，根据数据绘出S-lgp曲线，见图5。

图5 螺杆桩桩顶S-lgp曲线

从上述三根不同桩长的荷载位移曲线中可以看出：SZ1加载到2 840 kN时，桩顶的沉降量为14.06 mm，没有超过20 mm，S-lgp曲线为平缓型；SZ2加载到2944.2 kN时，桩顶沉降量为14.8 mm，末级荷载作用下S-lgp曲线未出现陡降；SZ3从荷载-沉降曲线可以看出，当加载至3 038.4 KN时，S-lgp曲线为平缓型，桩顶沉降量15.5 mm，加载终止。

其中S-lgp曲线可以看出不同桩长的极限承载力，从图5可以得出SZ2极限承载力为2 944.2 kN，桩顶位移为14.8 mm，与安阳市某工程极限承载力较为接近，该工程实测极限承载力值为2 859.0 kN，桩顶位移为15.1，其误差约为3%，说明ANSYS有限元模型能较准确地分析实际工程。

4 结论

应用有限元分析软件ANSYS，通过安阳市某工程所提供的相关资料，输入对应的参数分析导出结果，然后处理数据进行对比分析，论证有限元模型的准确性，为螺杆桩的工程设计和实际工程生产应用提供了一定的参考依据。主要结论如下：

（1）使用ANSYS有限元软件建立螺杆桩桩土3D模型时，土体模型宽度及深度的选取既不可以过大也不可以过小，否则会影响计算精确度或者计算速度，本文采用桩心向外取10倍桩径，深度取3倍桩长发现较为合适，其计算精度和计算的速度均可保证；

（2）从荷载位移曲线可以看出：S-lgp曲线为平缓型，桩顶最大沉降量15.5 mm。符合工程实际。对类似工程条件具有较大的参考价值。