倾斜荷载下群桩基础工作性状的数值分析

2011-04-14王国才童慧芝

山西建筑 2011年17期

黄晋王国才童慧芝

0 引言

倾斜荷载作用下群桩的工作性状分析，无论从理论上还是试验上，目前都尚处于探索阶段。倾斜荷载下群桩工作特性的现场足尺试验，需耗费大量的人力、物力和时间，迄今为止，还未见文献报道过［1］。长期以来，由于对倾斜荷载下群桩的工作性能了解不多，给设计带来了一定的困难。在计算时，工程上常采用简化法，将倾斜荷载分解成竖向荷载和水平荷载，分别计算其效应，然后进行叠加。在设计时，为了安全起见，不得不采用加大桩径、提高混凝土强度、增加桩数、加大埋深、提高配筋率等手段，使设计带有一定的盲目性，造成不必要的浪费［2-4］。

近年来，随着计算机技术的飞速发展，有限元分析方法日趋完善，已成为土木工程界强有力的分析计算工具之一。为进一步揭示倾斜荷载作用下群桩的工作性状，本文采用非线性有限元软件Abaqus对承受倾斜荷载作用的群桩进行分析，分析倾斜荷载的大小和倾角对群桩内力、位移和弯矩等的影响［5］。

1 计算模型及参数的选取

群桩基础如图1所示，计算模型采用三维模型来分析，桩—土模型采用半空间对称体系。为了保证计算精度，桩周和桩底土体均取一倍桩长［7］。

桩体认为是弹性体，弹性模量E=3.36×104MPa，泊松比取μ=0.2。土体考虑其塑性和非线性，采用Mohr-Coulomb模型，其泊松比取 μ=0.4，土体的重度 γ=17.05 kN/m3，粘聚力 c= 50 kPa，内摩擦角φ=28°［8］。

2 倾斜荷载下群桩基础中基桩的沉降

为了研究倾斜荷载作用下群桩基础中每根单桩的沉降性状，在对群桩基础模型进行数值模拟时，通过改变作用在承台上的倾斜荷载的倾角，对群桩中桩1、桩2、桩3的桩顶沉降进行分析，得到桩1、桩2、桩3的荷载—沉降曲线，如图2a)和图2b)所示。

由图2可知，倾斜荷载下群桩的荷载—沉降曲线和单桩的荷载—沉降曲线不同。单桩在外荷载作用下，当桩侧和桩底土由弹性状态进入塑性状态时，会产生一个较大的沉降，在荷载—沉降曲线上会表现为斜率变化较大。而群桩的荷载—沉降曲线则为缓变型，这是由于承台的存在使得桩间土也参与承受外荷载作用的缘故。在群桩基础中，上部荷载由承台、桩间土和桩共同承担。对比图2a)和图2b)可看出:随着倾斜荷载倾角(倾斜荷载与桩轴线的夹角)的变大，倾斜荷载的水平分力增大，导致其桩侧摩阻力也随之增大，因此沉降量相对减小。

在外荷载作用下，群桩基础边桩的桩侧摩阻力会对中桩的桩侧土体产生扰动，降低其抗剪刚度，从而增大中桩的沉降。因此，中桩1的沉降是最大的。另外，在倾斜荷载水平分力作用方向上，群桩基础的前排桩承担的水平荷载要大于后排桩，由于水平荷载会使桩身一侧与土体脱离且减小桩侧土的抗剪刚度，增大桩的沉降量，桩3是倾斜荷载水平分力作用方向上群桩基础的前排桩，因此其沉降量大于后排桩(桩2)。

3 倾斜荷载下群桩基础的桩身挠度

研究倾斜荷载下群桩中每根单桩的桩身挠度的方法跟上述研究群桩承台沉降的方法一样，通过改变倾斜荷载的大小和倾角，得到桩1、桩2、桩3在不同倾角和大小的倾斜荷载作用下的荷载—挠度曲线。

从图3a)～图3c)可以看出，中桩1的桩身挠度最小，即群桩边桩的挠度要大于中桩的挠度，这是因为群桩效应使得两边桩对中桩起了遮拦作用的缘故。由图3d)可以看出，相同大小的倾斜荷载随着倾角的增大，桩身挠度也随着增大。当倾角较小时，倾斜荷载的水平分力较小，竖向分力的存在使得桩身水平位移减小。当倾角不断增大，水平分力也随之增大，由于P—Δ效应，竖向分力的存在会使桩身挠曲变形增大而产生一个附加位移，从而使桩身挠度也随之增大［10］。

4 倾斜荷载下群桩基础的桩身弯矩

由于Abaqus后处理中不能直接输出桩身截面弯矩，因此必须在JOB模块中通过Edit Keywords功能添加关键词来输出桩身弯矩。首先添加*surface命令在桩身上定义一些截面，然后用*section print命令把这些截面所承受的截面力SOF和截面力矩SOM输出到打印输出文件DAT文件中，最后在DAT文件中找出相应的截面力矩，绘出在不同倾角和大小的倾斜荷载作用下群桩基础中每根单桩的荷载—弯矩曲线，如图4，图5所示。

由图4可以看出，最大弯矩位置在桩体与承台连接处，桩体的变形主要发生在桩身上部，与桩身上部接触的土体发生塑性变形，而下半部分土体未发生塑性变形。当倾斜荷载倾角增大时，水平分力也随之增大，土体的塑性区逐步向下发展，以抵抗外荷载的作用，引起零弯矩点向下迁移。