抗拔桩桩土相互作用的有限元分析

2015-06-29张俊清

四川水泥 2015年1期

关键词：抗拔基桩实例

张俊清

（大连理工大学土木设计研究院，大连市高新区软件园路80号1401室 116023）

抗拔桩桩土相互作用的有限元分析

张俊清

（大连理工大学土木设计研究院，大连市高新区软件园路80号1401室 116023）

本文作者通过建立了抗拔桩和土体相互作用的有限元模型，通过详细的计算结果与其工程实测结果进行了比较，验证了其所建立模型的正确性。

倾斜荷载、有限单元、抗拔桩

0 引言

但是，在实际工程中，比较少见基桩单纯承受竖向或横向荷载的情况，基本上都是同时承受竖向荷载和横向荷载(即倾斜荷载)的作用。各种规范工程的算法一般将桩顶的水平力和竖向力分开考虑，然后依据在小变形条件下的叠加原理，可计算桩身的位移及相应的应力，修正方法是在强度的设计过程中将弯矩乘以偏心距增大系数。

但这种简化方法没有考虑到土体抗力的作用效应，仅适用于线弹性的小变形情况，具有一定的局限性。早在上世纪70年代，横山幸满[1]就指出，应力迭加原理不适用于倾斜荷载受力下的桩。

1 倾斜荷载作用下基桩的受力特性

1.1 基桩的承载力

基桩在倾斜荷载受力作用下，基桩的破坏模式相对较为复杂，其中和基桩本身的强度和抗弯刚度、桩侧土体的抗力以及摩阻力、桩端土体的承载力以及所受荷载的倾角等影响因素相关。

1.2 基桩的破坏机理

在倾斜荷载作用下，土对基桩的破坏一般与两方面的因素有关0：1、桩的竖向承载力可能由于桩侧摩阻力和桩端阻力不够而使土体产生剪切破坏；2、桩侧土体对桩的水平抗力不足而使土体发生屈服破坏，桩结构功能失效。

2 有限元模型的实现

2.1 有限单元模型的建立

由于桩基础结构和荷载具有对称性，因此采用错误！未找到引用源。所示的整体结构的一半建立有限元计算模型。计算程序为大型非线性分析商业软件ADINA。假设模型中的土层和桩为均质材料。有限元网格采用三维八节点实体单元，并考虑了桩土界面的接触特性。其中，桩长L为10m，直径D为0.6m，周围土体横向长度取30倍桩径（10m），纵向深度取3倍桩长（30m）。土体边界，底面采用纵向约束，侧面水平约束。

图1 有限元模型

2.2 桩土界面的处理

桩土界面接触面的研究，主要包含两个方面：一是接触面本身的本构关系；二是接触面单元，它是有限元计算时用来模拟接触面变形和力学特性的一种特殊单元。两方面的研究是互相联系的，接触面单元是为了模拟接触面上的变形，接触面变形又要适应所选用的接触面单元。

3 有限单元实例

淮河干流上的城西湖进洪闸采用抗拔钻孔灌注桩来解决构筑物的抗浮稳定性问题，2#试桩实测成孔的平均直径为1190mm，成孔深度14.0m，实测抗拔极限承载力为2640kN，极限桩顶位移17.65mm，共分11级荷载完成抗拔试验。文献0给出了试验测得的桩顶位移与上拔荷载的关系曲线。本文对这一工程实例进行数值模拟，以验证所建立有限元模型的正确性。需要指出的是，土体的破坏性状极大地受到土体内的初始应力的影响，尤其是受到沿可能破坏面上的初始法向应力以及初始剪应力与初始法向应力之比的影响0。

桩体和地层参数如表1所示，D-P模型的内摩擦角22°、18°和32°对应摩尔-库伦模型的内摩擦角为10.91°、8.87°和16.44°。为土体初始应力云图，表2对比了模型中的2个关键点的应力理论值与计算值，对比发现理论值和ADINA计算得到的应力基本相同，可以认为初始应力计算是可行的。

图2 实例模型点的设置

图3 土体初始竖向应力云图

图4 模型中应力监测

表1 计算参数

表2 监测点应力的比较

根据 Randolph和 Wroth(1978)等的研究，在桩侧距离桩轴 nD（n＝8～15，D为桩径）处剪应变减小到零。本文经过试算，计算距离取n为10与n为15的计算结果几乎无差异。本文取n为 10。土体计算范围水平向为 10倍桩径，竖向 2倍桩长。模拟三维8节点块单元，桩侧和桩端与土之间设置面面接触单元。模拟结果如图5所示。