吳爭光

（深圳市土地投資開發(fā)中心，廣東 深圳 518026）

大直徑灌注樁水平承載特性數(shù)值模擬分析

吳爭光

（深圳市土地投資開發(fā)中心，廣東 深圳 518026）

由于水平荷載作用下樁土相互作用的復(fù)雜性，準(zhǔn)確分析樁基水平承載力特性往往較為困難?；谀乘綐冬F(xiàn)場靜載試驗(yàn)，采用有限元軟件ABAQUS對試驗(yàn)區(qū)單樁進(jìn)行數(shù)值模擬，采用彌散開裂模型模擬混凝土受力性狀，用埋入單元模擬混凝土中的鋼筋，計(jì)算得到位移曲線和樁身彎矩分布曲線并與試驗(yàn)值比較，結(jié)果表明：有限元計(jì)算PS曲線與實(shí)測P-S曲線表現(xiàn)出較好的吻合性，在臨界荷載之前有限元計(jì)算結(jié)果較實(shí)測值偏大；有限元計(jì)算與實(shí)測彎矩沿樁身分布較為吻合，最大彎矩點(diǎn)位置位于泥面以下1/5樁長范圍內(nèi)，反彎點(diǎn)大致位于深度8～12 m處。

水平承載特性；數(shù)值模擬；P-S曲線；樁身彎矩

0 引言

橋梁樁基由于水平交通荷載及風(fēng)荷載等外部荷載的作用，其不僅受到垂直荷載作用，也將承受較大的水平荷載。盡管國內(nèi)外學(xué)者對樁基在水平荷載下的受力及破壞機(jī)理做了不少工作，得出了很多有價值的結(jié)論，但各種方法都有其特定的適用范圍[1-5]。以m法為例，規(guī)范[2]規(guī)定不同的地基處理類型在不同的土層中m法的取值不同，規(guī)范給了一個大概的取值范圍，但由于實(shí)際工程的復(fù)雜性，合理確定參數(shù)往往比較困難。

確定樁基水平承載力特性最準(zhǔn)確的方法是進(jìn)行現(xiàn)場水平靜載試驗(yàn)，然而采用現(xiàn)場試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的人力物力，且試驗(yàn)周期較長，尤其是針對大直徑樁，其承載力較大，要完成現(xiàn)場水平承載樁靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)條件較為苛刻，往往不容易達(dá)到試驗(yàn)要求。

近年來隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算模擬逐漸被人們接受，采用數(shù)值模擬手段對樁基水平承載力進(jìn)行分析也不失為一種較好的解決方法[6-9]。本文基于某樁基水平承載力測試項(xiàng)目，采用大型有限元分析軟件ABAQUS對其水平受荷特性進(jìn)行了模擬，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法在淤泥土地基中大直徑樁基水平承載力特性分析的可行性，對相關(guān)工程設(shè)計(jì)有所借鑒。

1 三維有限元模擬分析

1.1 三維模型建立

本文采用正八面體近似模擬圓形樁，樁周土體取為樁徑的25倍，豎向取2倍的樁長。灌注樁采用混凝土的彌散開裂模型，利用三維減縮積分單元C3D8R進(jìn)行離散；土體采用Mohr-Coulomb塑性模型，土體單元也為C3D8R；樁體配筋采用T3D2單元模擬，鋼筋采用Embedded方法嵌入到樁體內(nèi)。

樁外側(cè)與外圍土體設(shè)置了接觸單元，接觸本構(gòu)模型為小滑動庫侖摩擦模型，以模擬樁土之間的黏結(jié)、滑移和脫離，樁底與外側(cè)土體用Tie的方式連接在一塊，接觸屬性在初始步中添加。邊界條件為：模型在X方向添加X方向的位移約束；在Y方向添加Y方向的位移約束；樁底添加對稱與反對稱模式的全約束。

在ABAQUS中網(wǎng)格劃分技術(shù)很多，本文主要采用的是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格畫法，首先在邊界設(shè)置合適的種子，在必要時對模型做一定的剖分，本次模擬由于受制于計(jì)算資源，網(wǎng)格劃分較為粗糙，土體劃分為14 884個單元、樁體得到84個單元、鋼筋得到250個單元。有限元網(wǎng)格圖如圖1所示。

圖1 三維有限元計(jì)算模型圖（土、樁、鋼筋）Fig.1 Three-dimensional finite element model (soil,pile,rebar)

1.2 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際樁基水平承載力測試項(xiàng)目，灌注樁分別為1.2 m的A樁和0.8 m的B樁，試驗(yàn)樁的基本參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)樁基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of testpiles

有限元模擬參數(shù)的選?。罕疚耐馏w參數(shù)的選取主要依據(jù)地質(zhì)勘測報(bào)告，鋼筋與混凝土參數(shù)取用特征值[10]。土體采用摩爾庫倫模型，土層分布及計(jì)算參數(shù)的選取如表2所示。

樁身混凝土采用混凝土的彌散開裂模型，鋼筋采用線彈性模型進(jìn)行模擬：具體的參數(shù)選取見表3。

表2 模型分析計(jì)算參數(shù)表Table 2 Geotechnical parameters for num erical simulation

2 結(jié)果分析

2.1 計(jì)算與實(shí)測P-S曲線對比

本文數(shù)值模擬過程采用荷載增量形式進(jìn)行水平加載。例如對于B樁，每一級荷載步增量為40 kN。A、B樁數(shù)值模擬P-S曲線對比圖分別如圖2、圖3。

表3 鋼筋與混凝土的彈性取值Table 3 Elastic values of steel rebar and concrete

圖2 A樁有限元與實(shí)測P-S曲線Fig.2 Simulated P-S curve with measured curve of pile A

圖3 B樁有限元與實(shí)測P-S曲線Fig.3 Simulated P-S curve w ith m easured curve of pile B

由圖2、圖3可見，有限元計(jì)算得到的樁頭荷載-變形P-S曲線與實(shí)測的P-S曲線表現(xiàn)出較好的相符性。在加載的初期階段有限元計(jì)算結(jié)果較實(shí)測值大，待荷載越過臨界荷載后，有限元模擬結(jié)果稍小于實(shí)測值。具體原因是場地表層存在一定厚度的硬殼層，在樁頭荷載較小時硬殼層充分發(fā)揮，實(shí)測樁頭變形表現(xiàn)出較為明顯的剛性特點(diǎn)；在荷載較大時，硬殼層已經(jīng)發(fā)生破壞，而在模擬過程中土體壓縮模量始終為一常數(shù)，這就低估了后期樁頭變形大小。

單樁水平承載力特征值在工程設(shè)計(jì)中具有重要的意義。由于模擬樁頭變形曲線沒有出現(xiàn)明顯的破壞點(diǎn)，因此單樁水平承載力特征值的確定按照“直線相交法”確定[2]，從圖中可以看出：A樁水平承載力特征值為380 kN；B樁水平承載力特征值為177 kN。對比實(shí)測P-S曲線，數(shù)值模擬結(jié)果確定的單樁水平承載力特征值與實(shí)測結(jié)果非常接近，這進(jìn)一步證明了數(shù)值模擬參數(shù)選取的合理性及有限元分析的可行性。

2.2 計(jì)算與實(shí)測彎矩對比

A、B樁實(shí)測與模擬樁身彎矩分布曲線分別見圖4、圖5。限于篇幅，本文只分析A樁水平荷載240 kN，B樁水平荷載160 kN情況下樁身彎矩分布特點(diǎn)。

圖4 A樁樁身彎矩分布曲線（240 kN）Fig.4 Bending moment distribution of pile A(240 kN)

圖5 B樁樁身彎矩分布曲線（160 kN）Fig.5 Bending moment distribution pile B（160 kN）

對比圖4和圖5可見，彎矩沿樁身的分布規(guī)律為隨入土深度的增加先增大后減小，由圖4可見A樁實(shí)測樁身最大彎矩值與有限元計(jì)算值偏差均在5%以內(nèi)，實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果主要偏差在于最大樁身點(diǎn)位置。具體原因可能是因?yàn)閳龅乇韺油馏w存在一定厚度的硬殼層，導(dǎo)致場地表層土體能提供較大的反力荷載，因此實(shí)測樁身最大彎矩點(diǎn)較數(shù)值模擬結(jié)果更加偏上。地表硬殼層由于其整體性，對場地承載力的發(fā)揮有著重要影響，但由于其破壞特性的復(fù)雜性，目前數(shù)值模擬還不能較好地反映其工作特性，且在參數(shù)的選取上存在一定困難，需要進(jìn)一步加以研究。

如圖5所示，B樁實(shí)測樁身彎矩出現(xiàn)了反彎點(diǎn)，實(shí)測彎矩的反彎點(diǎn)在泥面以下8 m左右，而有限元計(jì)算沒有明顯的反彎點(diǎn)，原因可能是較低地估測了下部土體的彈性模量值，導(dǎo)致低估了下部土體的嵌固作用。由實(shí)測及數(shù)值模擬彎矩分布圖可見，對樁及抗彎能力有貢獻(xiàn)的土體主要是上部土層，因此在水平樁設(shè)計(jì)時存在有效樁長的概念，在設(shè)計(jì)時要綜合考慮，合理選擇設(shè)計(jì)樁長。

對于A、B樁而言，在其余不同荷載等級情況下，其樁身彎矩分布特性與圖4、圖5類似。數(shù)值模擬所得到的樁身最大彎矩與實(shí)測結(jié)果相比，其誤差均在8%以內(nèi)，這進(jìn)一步說明采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行工程設(shè)計(jì)可以滿足工程要求。

與圖4、圖5類似，有限元計(jì)算所得到的最大彎矩值位置與實(shí)測情況有一定差異，但考慮到一般樁基設(shè)計(jì)都是采用最大彎矩值通長配筋，因此樁身最大彎矩點(diǎn)位置的差異并不會給工程設(shè)計(jì)帶來實(shí)質(zhì)性差別。實(shí)測與數(shù)值模擬結(jié)果表明，樁身最大彎矩值點(diǎn)都在3～6 m之間，該深度大概是樁身入土深度的1/5左右，在工程設(shè)計(jì)中需要充分考慮該深度范圍內(nèi)土體水平受荷作用。

3 結(jié)語

1）有限元計(jì)算P-S曲線與實(shí)測P-S曲線表現(xiàn)出較好的吻合性，但在臨界荷載之前有限元計(jì)算結(jié)果較實(shí)測值偏大，原因是有限元計(jì)算時樁身及樁側(cè)土體的壓縮模量為一常數(shù)，其值不隨加載過程而變化，這與實(shí)際情況有所差別。

2）有限元計(jì)算與實(shí)測彎矩沿樁身分布較為吻合，都是從泥面處開始增加，最大彎矩點(diǎn)位于泥面以下3～6 m，向下迅速減小，大概在8～12 m處出現(xiàn)反彎點(diǎn)。

3）灌注樁的最大彎矩發(fā)生在樁體的上半部分，對樁身彎矩起主要貢獻(xiàn)的樁側(cè)土體為入土深度的1/5長度的表層土體。

4）硬殼層的存在對提高樁基水平承載力的發(fā)揮有著顯著的影響，在實(shí)際樁基設(shè)計(jì)中需要考慮其對樁頭變形及樁身彎矩分布的影響。

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Numerical simulation of lateral bearing capacity behavior of cast-in-place pile with large diameter

WU Zheng-guang
（Shenzhen Land Investment Development Center,Shenzhen,Guangdong 518026,China）

It is difficult to analyze the lateral bearing capacity behavior of pile foundation accurately,for the interactive mechanism of pile-soil system is quite comp lex under the lateral bearing capacity.Based on field test of a lateral loaded pile, we carried out the numerical simulation on single pile with finite element software ABAQUS.Constitutive model of concrete smeared cracking was adopted to simulate concrete ofpile,and the embedded element was used to simulate rebars in concrete. Calculated bending momentof the pile on different heightand the deformation results were compared with experimental results. Simulation results show that:the numerical P-S curve has some difference with the experimental P-S curve,but the change rule meets well with the experimental result,the major difference occur at the stage before the critical load;the numerical bending moment meet well with the experimental results.The position of maximum bending moment is located about 1/5 of the pile length below mud line,and the inflection point is located at the depth about8～12 m.

lateral bearing capacity behavior;numerical simulation;P-S curve;bending moment

U655.544；U445.551

A

2095-7874（2016）11-0021-04

10.7640/zggw js201611005

2016-05-11

2016-07-17

吳爭光（1985— ），男，湖北隨州人，工程師，碩士研究生，主要從事城市市政工程設(shè)計(jì)和管理相關(guān)工作。E-mail：3204944229@qq.com