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        基于接觸力學(xué)的復(fù)雜樁土結(jié)構(gòu)相互作用分析

        2013-04-15 03:50:32羅海勇王保學(xué)
        建材世界 2013年2期
        關(guān)鍵詞:有限元結(jié)構(gòu)模型

        羅海勇,王保學(xué)

        (1.南京水利科學(xué)研究院,南京 210029;2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司,武漢 430010)

        修建大型碼頭、滑道和海上鉆井平臺時,往往要采用灌注樁提高天然土體的承載力,減小地基的變形。群樁和土體組成的空間體系為復(fù)雜的多次超靜定結(jié)構(gòu),目前多采用有限單元法對其進行力學(xué)響應(yīng)的分析。不同于普通的梁、柱、板等上部結(jié)構(gòu),對樁體的計算必須考慮樁周土體和樁共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載,例如土對樁產(chǎn)生樁側(cè)摩阻力和樁端摩阻力,樁擠壓土體使其密實。文章嘗試采用接觸力學(xué)算法對樁土相互作用進行數(shù)值模擬。

        1 樁土接觸分析

        1.1 接觸力學(xué)機理簡介

        土與結(jié)構(gòu)體之間的相互作用在巖土工程中非常普遍,由于土體與結(jié)構(gòu)體在力學(xué)性質(zhì)方面相差很大,在受力情況下,土體與結(jié)構(gòu)體之間除了力的傳遞外,還可能產(chǎn)生相對位移,如相對錯位或開裂等,這使得土體與結(jié)構(gòu)體之間將不再是一個變形連續(xù)的整體。如果在有限單元法計算過程中將兩種不同介質(zhì)的單元直接耦合計算,必然導(dǎo)致較大誤差甚至不合理,同時存在計算收斂的問題。為了解決這類問題,采用有限單元法時,往往仍然把土體與結(jié)構(gòu)體看成連續(xù)體,土體和結(jié)構(gòu)體采用不同的本構(gòu)模型,對于土體與結(jié)構(gòu)體之間的接觸問題,則相應(yīng)地進行處理。

        灌注樁與土體之間的接觸作用是一種復(fù)雜的力學(xué)非線性行為,由于樁身鋼筋混凝土材料的強度遠遠大于土體強度,因而通常認定樁身為接觸主面,土體界面為接觸從面。在接觸過程中,當出現(xiàn)侵入現(xiàn)象時,規(guī)定從面節(jié)點不容許侵入主面,而主面節(jié)點沒有限制,可以在從面節(jié)點之間發(fā)生侵入,而這與實際工程是一致的。

        在把灌注樁與土體之間的相互作用抽象為力學(xué)模型時,應(yīng)滿足以下三個條件:主面法向不可貫入性,即在變形過程中,主接觸面上各點對應(yīng)的位移應(yīng)滿足相容性,主面不可侵入;法向接觸力為壓應(yīng)力條件;切向為摩擦力條件。當作用在接觸面上某一點的切向力達到并超過該方向上最大抗力時,接觸體將沿該方向滑動,并采用Coulomb準則來描述。

        1.2 接觸模型的建立

        由于研究區(qū)域主要為灌注樁與土體的接觸,在法向接觸采用硬接觸,即壓力直接傳遞,沒有衰減,切向接觸采用Coulomb準則,當接觸面處于閉合狀態(tài)時,接觸面存在摩擦力。若摩擦力小于某一極限值τ時,認為接觸面處于粘結(jié)狀態(tài);若摩擦力大于τ后,接觸面開始出現(xiàn)滑移,認為處于滑移狀態(tài)。Coulomb準則可用式(1)表示

        式中,μ為摩擦系數(shù),該次計算中取值為0.2。

        2 算例與分析

        2.1 模型簡介

        某駁岸碼頭采用鉆孔灌注樁進行地基處理,前排樁間距1.2m,后排樁距2.4m,樁長31m。樁頂設(shè)有承臺,荷載組合為結(jié)構(gòu)自重、樁后主動土壓力、剩余水壓力和承臺堆載。樁身采用C35混凝土,承臺采用C40混凝土,剩余水壓力和堆載壓力分別取值為10.25kPa、130kPa。

        計算過程中用到的主要材料參數(shù)見表1。

        表1 材料參數(shù)表

        采用接觸算法時,由于前排灌注樁布置較密集,在施工時另外布設(shè)了高壓旋噴止水,為簡化分析,將前排樁體簡化為連續(xù)墻,模型由土體、前墻、灌注樁、承臺和承臺處開山石填土組成,為減小邊界范圍對計算結(jié)果的影響,模型長度取值94m,寬60m,高56m,灌注樁分三排共6根,樁長31m,見圖1。為表述方便,第一排樁為1、2號樁,同理,第二、三排樁編號為3、4、5、6號樁。

        在前墻與海側(cè)土體、前墻與陸側(cè)土體、前墻與墻底土體、灌注樁與樁周土體、灌注樁與樁底土體之間建立接觸,前墻、灌注樁與樁頂土體建立綁定約束。采用C3D8I三維非協(xié)調(diào)實體單元,選擇結(jié)構(gòu)化技術(shù)劃分為六面體網(wǎng)格,共計7 945個單元。

        2.2 計算結(jié)果與分析

        2.2.1 彎矩計算結(jié)果

        圖2為結(jié)構(gòu)彎矩簡圖,其中前墻彎矩為單寬彎矩,由圖2可見,在同一深度處,前墻彎矩介于墻后灌注樁彎矩最大值與最小值之間,三排樁的分布規(guī)律基本一致,三排樁的彎矩從海側(cè)到陸側(cè)逐漸增加,其差值在第一個反彎點附近達到最大值。結(jié)構(gòu)頂部均出現(xiàn)較大的彎矩數(shù)值,這是由于計算過程中在承臺底面和樁頂采用了TIE類型約束,反映了實際工程中樁和承臺間通過鋼筋實現(xiàn)的固結(jié)連接。

        前墻共有三個彎矩反彎點,灌注樁有一個反彎點,前墻和灌注樁的第一個反彎點處于同一高程,在離頂面2m處反向。對于前墻,彎矩最大值出現(xiàn)在頂面與承臺固結(jié)處,達到3 266kN·m/m,之后逐漸減小,在2m處達到-3 100kN·m/m,在16m處出現(xiàn)第二個反彎點,此時彎矩值為600kN·m/m,在28m處出現(xiàn)第3個反彎點,彎矩值為-363kN·m/m。對于灌注樁,彎矩最大值出現(xiàn)在頂部,在2m處反彎,之后逐漸減小,到達樁底時彎矩接近為零。

        圖3為前墻后第一排灌注樁彎矩簡圖,由于計算模型幾何條件和邊界條件的對稱性,同排樁彎矩基本相同。樁底彎矩的微小區(qū)別可能是由于樁底與土體接觸處面積過小,在細小圓形區(qū)域內(nèi)劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格失敗導(dǎo)致兩側(cè)不對稱。

        2.2.2 土壓力結(jié)果

        圖4為結(jié)構(gòu)土壓力簡圖,對前墻,從墻頂至20m深度處,墻身土壓力小于墻后灌注樁,從20m處到墻底,前墻土壓力迅速增大,超過墻后灌注樁。到達墻底處達到最大值115.2kPa。

        對墻后灌注樁,總體上土壓力的分布規(guī)律與彎矩類似,三排樁的土壓力從海側(cè)到陸側(cè)逐漸增加,其差值在樁頂以下20m范圍內(nèi)較大,在20m以下逐漸減小。每根樁的土壓力都隨著深度增大而增加,在接近樁底的一段范圍內(nèi)均會產(chǎn)生較大的增長,其中以樁3最為明顯,土壓力在樁底增大為125.1kPa。

        圖5為樁1加堆載前后的土壓力簡圖,堆載壓力大小為135kPa,樁1由此產(chǎn)生的土壓力增長幅度較小,不同深度處增大數(shù)值略有不同,大約為5~15kPa。

        3 結(jié) 論

        在利用大型通用有限元軟件Abaqus進行港工結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上,初步嘗試了將接觸力學(xué)應(yīng)用于復(fù)雜的樁土相互作用問題中,建立了考慮復(fù)雜接觸的三維有限元模型,并運用該模型對某駁岸碼頭進行了數(shù)值計算,得到了如下結(jié)論:

        a.前墻彎矩分布有三個反彎點,墻后灌注樁有一個反彎點。從海側(cè)到陸側(cè),灌注樁的彎矩逐漸增加。

        b.從深度20m處到墻底,前墻土壓力迅速增大,超過墻后灌注樁;總體上,從海側(cè)到陸側(cè),灌注樁的土壓力逐漸增加。

        c.施加堆載土壓力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承受的側(cè)向土壓力有小幅度的增長。

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