摘要：錐形樁是一種既節(jié)省材料，施工簡(jiǎn)單，又提高樁的單位承載力的優(yōu)良樁型。本文的目的是要通過(guò)有限元軟件ANSYS對(duì)錐形樁的工作機(jī)理和承載性能進(jìn)行模擬分析，研究錐形樁承載力提高的原因。

關(guān)鍵詞：錐形樁；單位承載力；承載性能；工作機(jī)理

引言

錐形樁是楔形樁的一種，是一種既節(jié)省材料，施工簡(jiǎn)單，又提高樁的單位承載力的優(yōu)良樁型。它巧妙地利用樁楔形側(cè)面，充分發(fā)揮了樁與土體間的相互作用，猶如楔子楔入地基土中。除摩阻力（切向抗力）外，土體對(duì)楔形側(cè)面產(chǎn)生一法向抗力，即支承力，從而提高了錐形樁的承載力。本文的目的是要通過(guò)有限元軟件ANSYS對(duì)錐形樁的工作機(jī)理和承載性狀進(jìn)行模擬分析，研究錐形樁承載力提高的原因。

1 計(jì)算模型

1.1 建模要點(diǎn)

在錐形樁的數(shù)值模型中，充分考慮了樁-土之間的相互作用以及土體的非線性，建模要點(diǎn)如下：

1）樁、土均用PLANE42單元建模；

2）通過(guò)更改ANSYS中的PLANE42單元的關(guān)鍵詞，將樁、土簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱問(wèn)題；

3）土體的本構(gòu)模型采用Drucker-Prager模型以考慮土的非線性行為；

4）在樁身和土之間設(shè)無(wú)厚度的接觸單元以模擬其相對(duì)變形特性；

5）為突出研究重點(diǎn)，本文不考慮土體的分層；

6）樁側(cè)與樁底土的計(jì)算范圍足夠大，接近實(shí)際情況，以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性；

7）設(shè)置邊界條件，最外層的土約束住徑向自由度，最底層的土約束住所有自由度，對(duì)稱軸處的土與樁身約束住徑向自由度。

1.2 材料參數(shù)及網(wǎng)格劃分

本文模擬的錐形樁尺寸為：D=1.5m，d=0.6m，L=10m，。樁身彈性模量E=25Gpa，泊松比 =0.2，樁頂施加6000kN的豎向荷載，分10級(jí)加載。為突出方法的重點(diǎn)，不考慮土體的分層，土體參數(shù)如表1所示。

表1 土體的參數(shù)

參數(shù)名稱 E/MPa /kg/m3 c/kPa

參數(shù)值 100 0.3 1800 30 25 0

2 荷載傳遞規(guī)律

2.1 錐形樁Q-S曲線

在提取Q-S曲線時(shí)，樁頂位移取對(duì)稱軸處樁頂節(jié)點(diǎn)的豎向位移。在第一個(gè)荷載步中，通過(guò)施加重力加速度計(jì)算土體自重下的應(yīng)力狀態(tài)，并提出重力影響下樁頂?shù)奈灰芐0，其他各步荷載作用下的位移均扣除S0，即各級(jí)荷載作用下的位移均扣除自重的影響，模擬分析所得Q-S曲線如圖3所示。由該曲線可以看出，錐形樁的Q-S曲線呈緩變型，極限承載力應(yīng)根據(jù)變形控制原則，即樁頂沉降量確定。

圖3 Q-S曲線

2.2 樁身軸力

本文計(jì)算了在樁頂荷載1500kN、3000kN、4500kN 及6000kN四種情況下軸力沿樁身的分布。

計(jì)算軸力時(shí)采用ANSYS后處理POST1中映射路徑的方法，首先定義一個(gè)路徑L：取對(duì)稱軸上沿樁頂?shù)?點(diǎn)到樁底的2點(diǎn)，然后將樁單元Y向應(yīng)力SY映射到路徑L上，最后提取路徑上的SY數(shù)值再乘以樁身橫截面面積即得到樁身軸力的分布，如圖4所示。由圖可見(jiàn)，隨著荷載的增加，樁身各截面軸力都呈遞增趨勢(shì)；隨截面深度的增加，軸力大小呈遞減趨勢(shì)。因本文模擬的土體是均質(zhì)的，所以軸力曲線較為平緩。

圖4 軸力分布

2.3 側(cè)摩阻力分布

對(duì)于普通的直身樁側(cè)摩阻的計(jì)算是基于軸力計(jì)算的結(jié)果，利用側(cè)摩阻與軸力的關(guān)系 。

提取某一直身樁頂2800kN、4200kN及5600kN 三級(jí)荷載作用下的側(cè)摩阻力，可以看出：

1）側(cè)摩阻在各級(jí)荷載作用下的分布規(guī)律基本相同，隨著荷載的增加側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮；

2）就單級(jí)荷載來(lái)看，側(cè)摩阻與理想的“單駝峰”狀較為吻合。就多級(jí)荷載看，隨著荷載的增加，側(cè)摩阻峰值逐步向下移動(dòng)，原因在于均質(zhì)土層中的單樁在豎向荷載作用下越靠近樁身上部的樁身壓縮量及位移量越大，相應(yīng)的樁-土間相對(duì)位移越大，隨著樁頂荷載的增加逐漸調(diào)動(dòng)下層土側(cè)摩阻的發(fā)揮；

3）接近樁底時(shí)，摩阻力顯著減小。一方面原因應(yīng)在于樁底土的泊松效應(yīng)導(dǎo)致靠近樁底的樁側(cè)法向應(yīng)力減小，從而導(dǎo)致切向應(yīng)力降低。另一方面原因在于樁端部樁-土間相對(duì)位移較小。

2.4 錐形樁作用機(jī)理分析

錐形樁在垂直荷載作用下，通過(guò)樁周將荷載傳遞給土層，絕大部分作用力變?yōu)閷?duì)土層側(cè)壓力，其作用力方向向四周擴(kuò)散，擴(kuò)散范圍更寬。所以錐形樁具有較高承載力。

錐形樁在外部荷載作用下，被擠密的樁周土體通過(guò)錐形面承受大部荷載，樁端土體支承作用甚小。所以錐形短樁單樁承載力主要受錐形面對(duì)土體擠密的影響，是土體變形的一個(gè)函數(shù)，法向力和摩阻力的合力是主要的支承力。成樁過(guò)程中形成的土體擠密區(qū)，形似一倒放的桃子，其大小與土體物理力學(xué)性質(zhì)、樁的尺寸、體積及錐角有關(guān)，且成正比例關(guān)系。其中錐形樁的錐角是影響擠密區(qū)大小的主要因素。

錐形樁沉降時(shí)擠壓土層，土對(duì)樁周產(chǎn)生被動(dòng)土壓力，與上部荷載平衡。當(dāng)樁上部荷載超過(guò)極限平衡時(shí)，土體發(fā)生破壞。

3 結(jié)論

1）錐形樁的受力機(jī)理不同于一般樁基，錐形樁的楔型構(gòu)造改變了樁周土的天然結(jié)構(gòu)狀態(tài)，改善了土的物理力學(xué)性質(zhì)，有利于提高錐形樁的承載力；

2）樁的楔形截面有利于發(fā)揮樁土的共同作用。打樁過(guò)程中錐形樁起物理楔的作用，打樁能量的大部分通過(guò)樁側(cè)傳給了樁周土，在樁周形成擠密區(qū)，承擔(dān)了大部分荷載，其平均單位承載力與等截面樁相比約提高80%；

3）錐形樁的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果顯著，平均單位承載力相同的條件下比等截面樁節(jié)省材料約80%。

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