桩基承载能力的有限元分析

第３期　北　方　交　通　・６９・　桩基承载能力的有限元分析　彭银辉　，吕世斌　，耿立伟　（１．广东大公路工程有限公司，广州５１１４３０；２．抚顺市公路管理处，抚顺１１３００６）　摘要：针对工程实例，利用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件建立单桩承载力的有限元计算模型，研究桩基承载特性，并　与桩基静载试验所得实测数据比较。结果表明，模拟计算结果与工程实际基本吻合，说明采用的计算方法和模型　是合理可行的。同时研究了在不同桩土界面摩擦系数条件下桩的沉降和轴向力变化情况，为不同工程地质条件的　桩基设计提供参考。　关键词：桩基；极限承载能力；Ｑ—Ｓ曲线；有限元分析；ＡＢＡＱＵＳ　中图分类号：Ｕ４４３．１５　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７３—６０５２（２０１２）０３—００６９—０４　桩基础是一种应用广泛的深基础形式，摩擦桩　＿。。。。●－●——　作为重要的桩基础之一，其极限承载能力的确定和　荷载传递机理被广泛关注。单桩静载试验是测定桩　基的极限承载能力最直接、最可靠的方法，也是用来　分析荷载传递机理的一种重要手段，被广泛应用于　工程实践中。但是单桩静载试验工程量大，耗时又　不经济。结合现场试验和有限元模拟的方法，可取　得技术上可行、经济合理的效果。　本文运用ＡＢＡＱＵＳ／ＣＡＥ有限元软件，根据工　程实例桩基础的实际情况进行模拟，确定桩基承载　能力，将模拟结果与实测数据进行对比；并进一步分　基准桩锚桩　—　—　　ｌ（　＿一　．＋．　禊粱一　）　Ｉ　＼　ｆ　千斤顶—　、　４００　Ｌ／　Ｉ　基准梁　、、　ｌ／（（　雠梁１　／—　＼　＼　　’＼　—　（件一一　ｌ　禳一　＿Ｌ　）　　．ｌ　析桩土界面的摩擦系数、填土材料性质等对摩擦桩　的沉降和承载力的影响。　１　试桩工程概况　面　Ｌ————————————————————————————————ｊ　图１　锚桩及钢梁布置图　桩基静载试验测试对象为直径１．６ｍ、长３６～　３９ｍ的钻孔灌注桩基础。试桩位处的地质情况见表　１。　各级试验荷载作用下，根据试桩顶的沉降观测　数据，以荷载Ｑ为纵坐标、竖向沉降ｓ为横坐标，绘　表１试验桩位处土层参数　层数　层名　细砂　制出荷载一沉降曲线（Ｑ—Ｓ曲线），得到桩基的极　限承载能力为２２１００ｋＮ。　备注　桩端为粗砂　层厚１ｉ（ｍ）　３．６　１２．７　２．８　ｑ。ｋ（ｋＰａ）　４５　１２Ｏ　２　ＡＢＡＱＵＳ有限元计算模型的建立　ＡＢＡＱＵＳ有限元模型的建立一般包括以下几个　圆砾　细砂　粗砂　步骤：创建部件（ｐａｒｔ）、赋予材料特性（ｐｒｏｐｅｒｔｙ）、装　配（ａｓｓｅｍｂｌｙ）、创建分析步（ｓｔｅｐ）、定义接触关系　（ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）、加载（１ｏａｄ）、划分网格（ｍｅｓｈ）、分析作　业（ｊｏｂ）和后处理（ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ）。在桩土共同作用　的有限元分析中，应重点解决以下几个问题：　（１）几何模型的建立。由于桩土共同作用为典　型的平面应变问题，故只取一半建立二维平面应变　模型。单桩半径０．８ｍ，桩长４０ｍ，埋入土深３９ｍ，桩　周土体径向取２０ｍ，竖向取５０ｍ，具体见图２。　４５　７５　５．４　３．６　细砂　４５　中砂　粗砂　３．２　７．７　５２．５　９０　试桩竖向静载试验采用锚桩一反力梁装置，锚　桩一反力梁组成锚固一反力系统由４根锚桩、２根　主梁及２根次梁组成。锚桩和反力梁平面布置情况　见图１。　第３期　彭银辉等：桩基承载能力的有限元分析　・７１・　图４和图５分别为外加荷载为５１００ｋＮ和　２５５００ｋＮ时模型的竖向应力云图。由图可知，混凝　土桩承受了绝大部分的压力，土体只承受由桩土界　面摩擦传递到土体的一小部分。当外荷载达到　２２１００ｋＮ时，土体上部出现拉应力，并且拉应力区随　着外荷载的继续增大而向下扩散，说明土体开始产　生破坏。　图６是现场实测Ｑ—Ｓ曲线与有限元模拟值的　比较图。从图中可以看出，模拟曲线与实测曲线形状　基本接近。模拟分级加载作用下沉降值逐级增大，加　载达到２００００ｋＮ时变形显著增大，当外荷载达到　２２１００ｋＮ时，土体上部出现拉应力，可以认为此时土　桩基达到了极限承载力，模拟结果与实测值相符。　图７为不同外加荷载作用下，桩身侧摩阻力随　Ｙ　Ｓｔｅｐ：Ｓｔｅｐ一１　ｒ　Ｘ　Ｐ　ｍａｆｖＶａｒ：ＳＳ２２．深度的变化曲线。图８为实测的桩身摩阻力分布情　０　∞ＯＥ　邶　５　ｌ０　ｌ５　２Ｏ　２５　３０　３５　４０　４５　奋Ｉ　一Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ　１３：Ｓｔｅｐ　Ｔｉｍｅ＝０　６５００　Ｄｅｆｏｒｍｅｄ　Ｖａｒ：Ｕ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｋｏｎ　Ｓｃａｌｅ　Ｆａｃｔｏｒ：＋１　０００ｅ＋Ｏ１　００Ｅ“）６　图５　加载为２５５００ｋＮ时的竖向应力　０　０　５０００　１０００Ｏ　１５Ｏ０Ｏ　２００００　２５Ｏ０ｏ　３００００　４ｏ０Ｅ＋ｏ６　￣ｏ００Ｅ＋０６　．镯　一１Ｏ　ｌ５　Ｅ　一亲－８．００Ｅ＋０６　－∽　一２Ｏ　２５　１ｏ０Ｅ＋０７　一．２０Ｅ＋０７　—００　＿】４０Ｆ　Ｗ　＿，　ｌ２７ＳＯｋＰａ　图６实测值与模拟值的Ｑ—ｓ曲线　图７　模拟桩身侧摩阻力分布图　０　３　６０　９　９５　ｌ６　３０　１９ｌ０　２４　５０　２８ｌ０　３ｌ　３０　图８　实测桩身侧摩阻力分布图　・７２・　北　方　交　通　２０１２　况。由图可知，开始加载时桩基上部的侧摩阻力首　＝１时的曲线重合，即摩擦系数增大到一定程度后，　继续增大对沉降影响不大。　枷　枷　图ｌ０为外荷载１２７５０ｋＰａ（由于几何模型取二　分之一的模型，所以外加荷载也取二分之一）作用　下，桩身侧摩阻力随深度的变化曲线。当　＝０．１　时，由于桩土界面摩擦力较小不能产生足够的桩侧　摩阻力来平衡外加荷载（只能承担总荷载的　５８．８％），所以外荷载一部分由桩底土层承担，桩身　侧摩阻力随深度减小的幅度较小；随着　值的不断　先被激发，桩身下部摩阻力较小；随着荷载的增大，　桩身下部的桩侧摩阻力逐渐被激发，向下传递的深　度增加；荷载达到一定程度时，浅层土先达到极限侧　摩阻力，随着桩荷载的增大，达到极限侧摩阻力的土　层逐渐由上而下发展，其变化规律与实测数据一致。　另外，模拟和实测的桩端反力所占比例均很小。　４　影响因素分析　主要考虑桩土界面摩擦系数　对桩基承载力的影　ｏ　响。由于无法获得精确的　值，这里只讨论　值变化　对桩顶沉降位移和桩身侧摩阻力变化的影响规律。　ｎ　５０００　１　ＯＯ００　１　５０００　２００００　２５０００　３００００　增大，界面摩阻力增大，桩基侧摩阻力所占比例也随　之增大。当　＝０．３５、　＝０．６和　＝１时，桩侧摩阻　力分别占总荷载的８４．１％、９０．６％和９３．７％，为典　型的摩擦桩。　５　结论　根据试桩的实际情况，运用ＡＢＡＱＵＳ有限元软　件建立计算模型，并选择适当的设计参数进行有限　元计算。模拟计算结果与现场实测数据的变化规律　基本一致，说明在正确选取模型参数的基础上，用有　４Ｏ　５０　图９　桩顶的荷载位移曲线　Ｏ　０Ｅ＋００　－０　１Ｏ　２０　３Ｏ　限元方法替代部分现场静载试验是可行的。　有限元模拟分析结果表明，桩土界面的摩擦系　数对桩顶沉降值和桩体轴向应力都产生显著影响，　随着摩擦系数　的增大，桩顶沉降位移减小，Ｑ—ｓ　２．０Ｅ＋Ｏ６　－４．ＯＥ＋０６　－６　０Ｅ＋０６　暴－８．ＯＥ＋０６　曲　曲线的屈服点明显增大，桩侧摩阻力占总荷载的比　例从　＝０．１的５８．８％增加到　＝１的９３．７％，说　堪一１　０Ｅ＋０７　—１．２Ｅ＋Ｏ７　一ｌ　４Ｅ＋０７　明桩侧摩擦提高了桩基的承载能力。　参考文献　［１］司海宝，蔡正银．基于ＡＢＡＱＵＳ建立土体本构模型库的研究［Ｊ］．　岩土力学，２０１１（Ｏ２）．　图１Ｏ　桩身侧摩阻力随深度变化曲线　图９为桩问土不同摩擦系数时，桩基的荷载位　移曲线（Ｑ—Ｓ曲线）。从图中可以看出，随着桩土　［２］孙吉主，高晖．ＡＢＡＱＵＳ在软基固结过程分析中的应用［Ｊ］．岩土　力学，２００７（Ｓ１）．　问摩擦系数　的增加，同级荷载作用下的沉降位移　明显减小，且Ｑ—Ｓ曲线的屈服点也明显增大，即桩　【３］任艳荣，刘玉标，顾小芸．基于ＡＢＡＱＵＳ的桩侧摩阻力仿真分析　［Ｊ］．力学与实践，２００４（０６）．　侧摩擦提高了桩基的承载能力。当　值增大到１　时，其Ｑ—Ｓ曲线几乎为一直线，即没有发生屈服，　值继续增大到１Ｏ时（假设），其Ｑ—Ｓ曲线几乎和　［４］黄昌利，谢肖礼．桩与土相互作用非线性有限元分析［Ｊ］．广西大　学学报．２００２（０３）．　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｂｅａｒｉｎｇ　Ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｉｌｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｏｎ　ａｃｃｏｕｎｔ　ｏｆ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｃａｓｅ，ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｉｌｅ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｉｓ　ｅｓ—　ｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｗｉｔｈ　ＡＢＡＱＵＳ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｐｉｌｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅ　ｗｉｔｈ　ａｃｔｕａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｓｔａｔｉｃ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｐｉｌｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｓ　ｂａｓｉｃａｌｌｙ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ａｃｔｕａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｍｏｄｅｌ　ａｒｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ａｎｄ　ｆｅａｓｉ—　ｂｌｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｘｉａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｐｉｌｅ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆｉｒｃｔｉｏｎａｌ　ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ　ｏｆ　ｐｉｌｅ　ｓｏｉｌ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｆｏｒ　ｐｉｌｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｐｉｌｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；Ｕｌｔｉｍａｔｅ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ；Ｑ—Ｓ　ｃｕｒｖｅ；Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ＡＢＡＱＵＳ