根式基础抗压承载机制数值模拟研究

朱 昊

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年来,我国交通事业飞速发展,跨江、跨河的桥梁建设越来越多。而我国江河流域的桥梁大多处于深厚覆盖层地区,地基土体承载力低,传统的普通桩基础在该类地基下桩-土共同作用发挥效率低,须嵌岩才能达到承载力要求。殷永高[1]针对传统桩基础的不足之处提出根式基础的概念,根式基础是在沉井基础中预留顶推孔,待沉井下沉到设计标高后再向土层中顶推预制的根键,将根键与沉井固结后,形成根式基础。龚维明等[2]以马鞍山长江大桥为背景,开展了根式基础的竖向承载力试验研究,得出根式基础在以砂土层和卵石层作为持力层时,其竖向极限承载力较之于普通桩基础分别提高了约100%和63%。

本文所研究的通过数值模拟方法分析根式基础与普通桩基础在荷载作用下桩身各部位的承载占比。

1 数值模拟

1.1 模型建立及本构关系

本文根式基础和普通桩基础采用相同数值网格模型,如图1所示。桩长30.0 m,桩径2.5 m,根键外露1.0 m,宽0.5 m,高0.5 m。土体长80 m,宽80 m,高80 m。网格沿竖直方向均匀划分,其中桩段每0.25 m高度划分一层单元。本次模拟中对模型四周的法向方向进行约束,在模型的底面对三个方向进行约束,作为本次模拟的边界条件。土体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型,桩体采用Elastic弹性本构模型,接触面单元采用Mohr-Coulomb本构模型。普通桩在桩底和桩侧面建立独立的两接触面,避免出现桩底和桩侧面接触面接触面节点融合导致受力与实际不相符[3]。根式基础除桩底和桩侧面外,在根键处另建一接触面。

图1 FLAC 3D数值网格模型

1.2 材料参数取值

材料参数见表1。接触面参数取值:接触面法向刚度与切向刚度取1.6 GPa,摩擦角取14°,黏聚力取1 kPa。

表1 土体与桩参数表

2 数值模拟结果分析

2.1 根式基础与普通桩Q-s曲线对比分析

根式基础与普通桩Q-s曲线如图2所示。在分级荷载作用下,普通桩Q-s曲线在荷载达到11 000 kN时产生明显转折点,而根式基础Q-s曲线在荷载达35 000 kN时才产生明显转折点。对比普通桩基础,根式基础的极限承载力提高了218%。

图2 根式基础与普通桩Q-s曲线

2.2 根式基础与普通桩各部位分担荷载对比

FLAC 3D通过接触面模拟桩土的接触问题,接触面单元由一系列三节点的三角形单元构成,接触面单元将三角形面积分配给各个节点,每个接触节点都有一个相关的表示面积。接触面节点相关面积的分布如图3所示。FLAC 3D通过接触面节点和实体单元表面之间建立联系。接触面法向方向所受到的力由目标面方向所决定,切向方向所受到的力分为三个矢量方向[4]。

图3 接触面节点相关面积的分布

桩身在荷载作用下,由接触面将荷载传递给周围土体,因此通过将接触面的法向应力和切向应力(轴向方向)乘以相应面积即可得到端阻力和侧摩阻力。本文对普通桩的桩端阻力和桩侧摩阻力进行了计算,根式基础除上述外还计算了根键端阻力和根键侧摩阻力。计算端阻力和侧摩阻力所用的公式如下：

(1)

(2)

式中:Qp为端阻力;qPi为第i号接触面节点的法向应力;APi为第i号接触面节点的面积;QS为侧摩阻力;qSi为第i号接触面节点的切向应力(桩轴向方向);ASi为第i号接触面节点的面积。

普通桩基础和根式基础的各部位承担荷载占比如图4和图5所示。

图4 根式基础各部位承担荷载占比

图5 普通桩基础各部位承担荷载占比

从图4和图5可以看出,普通桩基础在桩达到极限承载力前,主要由桩侧摩阻力承担荷载,在达到极限承载力后,主要由桩端阻力承担荷载；对于根式基础，随着荷载增加,桩端阻力占比和根键端阻力占比逐渐减小,桩侧摩阻力占比逐渐增大,根键侧摩阻力相对增长较小。在加载到最大荷载时,普通桩基础的桩端阻力承载占比65.64%,桩侧摩阻力承载占比34.36%;根式基础的桩端阻力承载占比19.92%,桩侧摩阻力承载占比21.41%,根键端阻力承载占比56.08%,根键侧摩阻力承载占比2.57%。若将根键端阻力和根键侧摩阻力视为桩侧摩阻力,可得出在荷载为1 1000 kN时,根式基础相较于普通桩,其桩端阻力减小了50.07%,桩侧摩阻力提高了93.91%,这是根式基础通过根键加强桩土共同作用,从而提高承载力、减少沉降的根本原因。

3 结 论

通过上述分析,可得出：根式基础中根键的存在使得桩侧摩阻力提高,桩端阻力减小,从而提高了根式基础的承载能力,减少了基础的沉降。