柯 江

(陜西理工學(xué)院土建學(xué)院，陜西 漢中 723001)

擴(kuò)底樁受壓有限元分析

柯 江

(陜西理工學(xué)院土建學(xué)院，陜西 漢中 723001)

采用ABAQUS有限元軟件，建立了樁土非線性有限元模型，分析了擴(kuò)底樁受壓承載特性，得出：擴(kuò)底樁達(dá)到受壓極限承載力時(shí)，擴(kuò)大頭承受了樁的大部分荷載，擴(kuò)大頭斜面與土體產(chǎn)生了分離。

擴(kuò)底樁，受壓樁，ABAQUS，有限元

0 引言

擴(kuò)底樁是利用機(jī)械或人工開挖，底部直徑大于上部樁身直徑的灌注樁，其單樁承載力比樁身直徑相同的直樁的承載力有較大提高，比較經(jīng)濟(jì)，因此廣泛地應(yīng)用于房屋建筑、公路橋梁等工程中。目前，在設(shè)計(jì)過程中對(duì)擴(kuò)底樁的承載力、沉降規(guī)律，樁側(cè)、樁端對(duì)總承載力的分擔(dān)比例等問題仍然沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，土層和幾何尺寸相同的挖孔樁，按各種方法計(jì)算的承載力相差較大，擴(kuò)底樁的承載特性比較復(fù)雜，影響因素較多，一般的靜載試驗(yàn)缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、成本高，且難以進(jìn)行系統(tǒng)研究[1-5]，因此，采用數(shù)值模擬就是一種比較好的選擇。本文利用ABAQUS有限元軟件，建立樁土非線性有限元模型來分析擴(kuò)底樁在豎向受壓荷載作用下的承載特性。

1 有限元模型與計(jì)算參數(shù)

ABAQUS是一個(gè)具有強(qiáng)大非線性計(jì)算能力的有限元軟件，考慮到樁、土以及荷載的軸對(duì)稱性，建立的有限元模型按軸對(duì)稱問題來進(jìn)行數(shù)值模擬(見圖1)，比按三維模型分析的計(jì)算量大為減少，樁土間設(shè)置面—面接觸。分析的首要問題是進(jìn)行初始地應(yīng)力的施加，且使得土體的初始位移為零。材料模型：土體為Mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則，樁體為線彈性。幾何尺寸：樁身直徑0.4 m，下部擴(kuò)大頭直徑為1 m、高度為0.6 m，樁的總長(zhǎng)度為6 m；取樁底部的土體厚度為5 m、樁四周的土體寬度為8 m。不考慮土的剪脹性，土體彈性模量11 MPa，泊松比0.3，密度為1 950 kg/m3，粘聚力c=15 kPa，內(nèi)摩擦角φ=22°，樁身密度為2 400 kg/m3，彈性模量28 000 MPa，泊松比為0.2，樁土間摩擦系數(shù)取0.3。

2 擴(kuò)底樁受壓有限元分析

2.1Q—s曲線及樁身軸力分布

通過有限元計(jì)算，圖2、圖3分別給出了豎向荷載作用下擴(kuò)底樁荷載位移(Q—s)曲線、樁頂沉降位移為s=5 mm，20 mm，40 mm時(shí)的樁身軸力沿深度的分布曲線。由JGJ 106—2003建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范，豎向受壓極限承載力的確定，對(duì)于陡降型Q—s曲線，取其發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值,對(duì)于緩變型Q—s曲線可根據(jù)沉降量確定，宜取s=40 mm對(duì)應(yīng)的荷載值，本例Q—s曲線為緩變型，故該擴(kuò)底樁在s=40 mm時(shí)達(dá)到豎向受壓極限承載力，即301.2 kN；樁身軸力的分布規(guī)律：由頂部向下逐漸變小，這說明是樁側(cè)阻力不斷累加導(dǎo)致的結(jié)果，s=40 mm時(shí)，擴(kuò)大頭負(fù)擔(dān)的荷載(取樁底軸力)為216.1 kN，占樁頂總荷載的比例為71.7%，說明樁端阻力起主要作用。

2.2 塑性區(qū)分布及位移場(chǎng)

在圖4、圖5中，分別給出了樁頂沉降位移為s=40 mm時(shí)的樁周土體塑性區(qū)分布、擴(kuò)大頭局部的豎向位移云圖，可以看出：土體的塑性區(qū)主要分布在擴(kuò)大頭的底部，土體的豎向位移在樁端最大，而且發(fā)現(xiàn)樁底部的土體與擴(kuò)大頭斜面產(chǎn)生了分離。

3 結(jié)語

擴(kuò)底樁的非線性有限元計(jì)算表明：擴(kuò)底樁達(dá)到受壓極限承載力時(shí)，樁端阻力遠(yuǎn)大于樁側(cè)阻力，擴(kuò)大頭承受了樁的大部分荷載，土體的豎向位移在樁端處最大，樁底部的土體與擴(kuò)大頭斜面產(chǎn)生了分離，土體的塑性區(qū)主要分布在擴(kuò)大頭的底部。樁的長(zhǎng)度、擴(kuò)大頭的大小、土層的性質(zhì)等對(duì)擴(kuò)底樁的承載特性都有影響，需要進(jìn)一步研究。

[1] 高 盟，王 瀅.一種大直徑擴(kuò)底樁端阻力和側(cè)阻力的確定方法[J].巖土力學(xué)，2013，34(3)：797-801.

[2] 黃廣龍,惠 剛,梅國雄.鉆孔擴(kuò)底樁原型對(duì)比試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(9):1922-1926.

[3] 張 蕾，高廣運(yùn).擴(kuò)底樁深度效應(yīng)及臨界樁長(zhǎng)分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013，9(1)：48-54.

[4] 逯 海.擴(kuò)底樁豎向承載性能的分析[J].建筑科學(xué)，2012，28(1)：74-77.

[5] 阮 翔，高廣運(yùn).存在軟弱下臥層的大直徑擴(kuò)底樁樁端承載力的實(shí)用算法[J].工業(yè)建筑，2009，39(7)：52-55.

Finite element analysis of pile with enlarged base subject to compressed loading

Ke Jiang

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723001,China)

Through applying ABAQUS finite element software, it establishes nonlinear pile-soil finite element model. The bearing properties of pile with enlarged base subject to compressed loading were analyzed. The results show that the bearing capacity of pile with enlarged base to the limit, the enlarged head could bear the most load of pile, and the slope of the enlarged head and soil produced a separate.

pile with enlarged base, compressed pile, ABAQUS, finite element

1009-6825(2015)30-0070-02

2015-08-12

柯 江(1976- )，男，碩士，講師

TU473.1

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