桩—土相互作用对RC桩基水平受力性能研究

2020-12-19卢笑芳陈毅勇罗昌财

散装水泥 2020年6期

卢笑芳陈毅勇罗昌财杨峰

(福建林业职业技术学院交通工程系，福建南平 353000)

1 引言

桩基作为重要的基础结构，在桥梁结构、房建结构和港口工程等领域被广泛应用，在土体性质较差的场地修建结构时，需要修建不同类型的桩基结构，此时在外部荷载如偏载、波浪荷载、温度荷载和地震荷载作用下会引起显著的桩—土相互作用效应，该效应对桩基在不同荷载作用下的力学性能研究也越来越引起国内外许多学者的重视。

土体作为一种高度非线性材料，与桩基础的相互作用较复杂，目前仍是许多研究者关注的热点之一。许多学者对桩基的研究方式各有差异，有些考虑了土体的影响，而有些则忽略了土体对桩基的影响或将土体简化为土弹簧的形式，如戎贤等对高强预应力（PHC）管桩的抗震性能进行了研究，并未考虑土体的影响；苏振明对PHC管桩的水平受力性能也进行了研究，研究中将土体简化为土弹簧的形式；黄福云等与庄一舟等对PHC管桩和钢筋混凝土(RC)桩在砂土内的抗震性能进行了研究。因此，不同学者针对土体对桩基受力影响作用的研究方式各有差异，然而考虑土体对桩基受力影响的深入研究尚有不足。

2 三维ABAQUS有限元模型

2.1 模型介绍

本文采用ABAQUS有限元软件建立了两个模型：模型1为RC桩基—土相互作用有限元模型、模型2为单一RC桩基的有限元模型，以研究桩—土相互作用对RC桩基的水平受力性能的影响。土体和RC桩基采用缩减积分C3D8R单元，钢筋（包括纵向受力筋和箍筋）采用T3D3单元。其中，桩基直径和长度分别为300mm和4m，埋入土体4m。

土体采用圆形状，直径为3m，高度为4m。纵向受力筋采用8根直径12mm的钢筋，钢筋长4m；箍筋直径为8mm，沿桩身等间距布置，布置间距为100mm。模型1和模型2见图1和图2。

图1 模型1：RC桩基—土相互作用有限元模型

图2 模型2：RC桩基有限元模型

2.2 边界关系

RC桩基与土体之间采用面—面接触，切向采用摩擦罚函数，法向采用硬接触。纵向钢筋与箍筋合并成一个整体，嵌入RC桩基内。土体侧面限制其侧向移动，释放竖向平动，桩底与土体采用固结形式。

2.3 材料本构关系

ABAQUS模型中，土体为粘土，采用Mohr—Coulomb本构模型，其力学参数见表1。RC桩基采用C40混凝土，采用单轴压缩应力—应变曲线，其力学参数见表2。钢筋采用的是二折线本构，其力学参数见表3。

表1 粘土力学参数

表2 C40混凝土力学参数

表3 钢筋力学参数

2.4 地应力平衡

由于模型1考虑RC桩基—土的影响，因此，模型1需进行土体地应力平衡。地应力平衡采用ODB导入方法，第一步将桩基与钢筋通过Model Change进行消除，限制土体外侧与内侧侧向平动，土体底部固结，仅允许土体在竖直方向的运动；第二步将第一步计算完的ODB文件导入，进行地应力平衡，随后施加荷载。图3给出了模型1的土体地应力平衡后的位移与应力。从图3可知，土体地应力平衡后，土体的竖向最大位移为3.123×10-8mm，已足够小，可满足后续阶段的加载。

图3 平衡后土体Mises应力与竖向位移

2.5 加载模式

文中采用单调加载制度和位移加载的方式，加载位移从0～10mm阶段以ΔY=2mm的间隔进行加载，随后在10～120mm阶段以ΔY=10mm的间隔进行加载，详见图4。

图4 加载制度

3 受力性能对比分析

3.1 桩基破坏现象比较

加载结束后，对桩基础的破坏情况进行比较，图5和图6分别给出了模型1和模型2加载结束后桩身的屈服应力Mises和等效塑性应变PEEQ分布情况。

对比发现，桩—土相互作用的RC桩基最大应力出现在4.5D埋深处（D为桩径），最大应力为26.8MPa, 刚好为材料的屈服应力（26.8MPa），其等效塑性应变大于0，说明桩身混凝土已发生开裂。不考虑桩—土相互作用的RC桩基的最大Mises应力同样也达到了材料的屈服应力（26.8MPa），其等效塑性应变也大于0，桩身混凝土同样发生了开裂，但其开裂位置位于桩底处，破坏模式与模型1存在明显差异。这主要因为土体发挥了土弹簧的作用，对桩基提供较好的侧向支承作用，使其破坏出现在较浅埋深处，而模型2的RC桩类似悬臂结构，在底部受力最大。说明考虑桩—土相互作用与否对桩基的破坏模型存在显著影响。

图5 模型1：桩身Mises和PEEQ应力分布

图6 模型2：桩身Mises和PEEQ应力分布

3.2 力—位移曲线比较

图7给出了模型1与模型2的力—位移曲线比较。由图7可知，模型1和模型2的力—位移曲线主要分为弹性阶段与塑性阶段，在弹性阶段的力—位移曲线呈线性变化，荷载随着位移呈快速增长变化规律，到了塑性阶段，荷载随着位移加载呈现的增长速率明显减慢。

此外，还发现桩—土相互作用的模型2的RC桩基的桩顶荷载较模型1显著增大，在120mm位移荷载下，模型1的荷载较模型2增大了445%，这主要由于粘土对桩基提供很好的支撑作用，在相同位移荷载作用下可承受更大的外面荷载，这也说明桩—土相互作用对桩基的承载力影响很大。

3.3 桩身位移比较

图8和图9给出了模型1和模型2 的RC桩基的变形曲线。由图8和图9可知，模型1和模型2的桩身变形曲线存在明显差异，模型1的RC桩基变形主要出现在0～8.3D范围，表现出了弹性桩的变形形式，而模型2的RC桩基变形出现在0～桩底范围，表现了刚性桩的变形形式。

弹性桩的变形形式更有利于桩基的安全受力，表现为延性破坏，而刚性桩的破坏表现为脆性破坏，较为不利。因此，桩—土相互作用对RC桩基的受力是有利的。

图8 模型1的桩身变形

图9 模型2的桩身变形

3.4 桩身弯矩比较

图10给出了模型1和模型2的RC桩基沿埋深方向的弯矩分布。由图10a&b对比可知，模型1和模型2的桩身弯矩沿埋深方向差异较大。模型1的RC桩基弯矩随埋深呈现先减小后增大的变化规律，在埋深4.3D时达到最大，而模型2的RC桩基则沿埋深方向呈现不断增大的变化规律，在桩底时达到最大。此外，模型1的最大弯矩也明显较模型2大，这主要由于模型1的RC桩基承受较大的土抗力，使其弯矩明显较模型1的大。

图10 桩身弯矩分布

3.5 桩身剪力比较

图11给出了模型1和模型2的RC桩基沿埋深方向的剪力分布。由图11a&b对比可知，模型1的RC桩基沿埋深方向的剪力分布与模型2存在较大差异，模型1的剪力沿埋深首先呈现减小的变化规律，至6.2D埋深后基本保持不变，而模型2的RC桩基剪力沿埋深方向基本一致。同样，模型1在桩—土相互作用的影响下明显较模型2的大。