楊毅，程昌勤，周少成

（江西省交投集團(tuán)撫州管理中心，江西撫州 344000）

0 引言

橋梁樁基是上部荷載傳向地基的一個(gè)傳力構(gòu)件，因此其安全性對(duì)橋梁工程至關(guān)重要。上部荷載主要包括上部結(jié)構(gòu)的自重及汽車(chē)行駛帶來(lái)的豎向循環(huán)荷載，因此，樁基礎(chǔ)必須具備一定的剛度及強(qiáng)度。在循環(huán)荷載作用下，樁基容易產(chǎn)生疲勞破壞。許多研究人員對(duì)豎向荷載作用下的樁基進(jìn)行研究，本文基于現(xiàn)有的研究成果，為研究樁基在豎向荷載作用下的性狀，結(jié)合工程案例，利用ANSYS有限元軟件建立三維模型，對(duì)樁基在不同靜荷載作用下的樁基性狀和在不同循環(huán)荷載作用下的樁身累積沉降進(jìn)行分析。

1 工程概況

某高架橋梁，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，橫斷面形式為四片預(yù)應(yīng)力箱梁，橋面寬11.25m，為雙向四車(chē)道高速公路。在設(shè)計(jì)時(shí)橋涵的汽車(chē)荷載采用公路一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)；橋梁的下部采用鉆孔灌注樁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，樁長(zhǎng)20～25m。

2 ANSYS有限元分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的有限元軟件被研發(fā)出來(lái)。ANSYS是一款大型的有限元設(shè)計(jì)軟件，由于其強(qiáng)大的建模功能、分析計(jì)算能力及材料參數(shù)的可控性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于巖土工程、結(jié)構(gòu)工程等眾多領(lǐng)域，本文借助ANSYS14.0對(duì)工程中的樁基進(jìn)行建模、劃分網(wǎng)格、荷載施加及計(jì)算分析。

2.1 建立有限元模型

本次模擬的模型采用solid45實(shí)體單元進(jìn)行建模，樁的長(zhǎng)度設(shè)置為20m，直徑設(shè)置為1m，考慮模型中樁的影響范圍，模型的土體直徑為5倍樁徑，深度為2倍樁徑，在樁底設(shè)置固定約束，樁側(cè)只約束X向及Y向約束，釋放豎向約束。對(duì)樁模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1及表2所示。

表1 模型參數(shù)設(shè)置表

表2 模型參數(shù)設(shè)置表

2.2 模擬工況

本次模擬的工程包括兩個(gè)階段，一個(gè)是靜載階段，另一個(gè)是循環(huán)加載階段。首先對(duì)樁基進(jìn)行靜載加載，即加載至Ps處，隨后進(jìn)行循環(huán)荷載的加載，循環(huán)荷載的幅值為Pc，根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，在橋梁工程中的樁基極限承載力約為Pu=9500kN，上部恒荷載取值為0.27倍樁基極限承載力，即Ps=0.27Pu=2565kN，Pc分別取0.1Pu，0.15Pu，0.2Pu，0.25Pu，0.3Pu，進(jìn)行的循環(huán)次數(shù)為2～10萬(wàn)次，模擬過(guò)程的加載圖如圖1所示。

圖1 模擬過(guò)程加載圖

2.3 模型的結(jié)果分析

（1）靜荷載作用下的樁基性狀分析

對(duì)模型先進(jìn)行靜載加載，并提取靜載加載的模擬結(jié)果云圖數(shù)據(jù)，主要研究?jī)?nèi)容包括樁身的豎向位移、樁側(cè)的最大摩阻力及土體的豎向位移，最后的結(jié)果如表3所示。

表3 不同豎向荷載作用下對(duì)樁土的性狀影響

由表3可知，隨著靜力荷載的不斷增大，樁身的豎向位移、土體的豎向位移及樁側(cè)的最大摩阻力都隨著增加，靜荷載從960kN增至2 880kN，樁身的豎向位移從4.76mm變至9.23mm，土體的豎向位移從4.16mm增加至8.10mm，樁側(cè)的最大摩阻力從23.73kPa增大至24.05kPa，可見(jiàn)樁側(cè)的最大摩阻力變化較小。這主要是由于從靜載加載開(kāi)始，施加的荷載主要由樁側(cè)摩阻力來(lái)承擔(dān)，而樁端阻力承擔(dān)得較少，當(dāng)荷載不斷增大時(shí)，樁側(cè)阻力與樁端阻力都將增大，當(dāng)加載到一定值時(shí)，樁端與樁側(cè)的阻力比例保持不變，樁側(cè)隨荷載的增大發(fā)揮到極限，處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的變化。

（2）循環(huán)荷載作用下的樁基性狀分析

樁基在循環(huán)荷載作用下的樁基性狀主要從不同循環(huán)荷載作用下的樁身累積沉降進(jìn)行分析，對(duì)循環(huán)荷載作用后的累積沉降如表4所示。

表4 不同豎向循環(huán)荷載作用下對(duì)樁身的累積沉降

由表4可知，當(dāng)荷載一定時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增多，樁身的沉降將越來(lái)越大，當(dāng)循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，隨著荷載的不斷增加，樁身的累積沉降也將不斷增大。當(dāng)荷載為0.1Pu時(shí)，從循環(huán)次數(shù)為0次到10萬(wàn)次，樁身的累積沉降值從4.76mm增大至5.25mm，共增加了10.3%，當(dāng)荷載為0.3Pu時(shí)，從循環(huán)次數(shù)為0次到10萬(wàn)次，樁身的累積沉降值從9.23mm增大至12.75mm，共增加了27.6%，可見(jiàn)豎向荷載的大小對(duì)樁身的影響較大；當(dāng)荷載為0.1Pu時(shí)，循環(huán)的次數(shù)從0次到2萬(wàn)次循環(huán)時(shí)，樁身的累積沉降值從4.76mm增加至5.01，增加5.3%，循環(huán)的次數(shù)從6萬(wàn)次至10萬(wàn)次循環(huán)時(shí)，樁身的累積沉降值從5.22mm增加至5.25，增加0.57%，說(shuō)明最初的土體較松散，在荷載作用下沉降較大，但隨著循環(huán)荷載的不斷作用，土層不斷被擠壓固結(jié)，后期的沉降也就趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于現(xiàn)有的研究成果，結(jié)合工程案例，利用ANSYS有限元軟件建立三維模型，對(duì)樁基在不同靜荷載作用下的樁基性狀和在不同循環(huán)荷載作用下的樁身累積沉降進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。研究結(jié)果表明：在不同靜荷載作用下，隨著靜荷載的不斷增大，對(duì)樁身的豎向位移、土體的豎向位移即樁側(cè)的最大摩阻力都將增大，在不同循環(huán)荷載作用下，樁身的累積沉降隨著循環(huán)次數(shù)的增多而增大，后期趨于穩(wěn)定，主要是由于在多次循環(huán)荷載作用下，土層被擠壓固結(jié)，沉降趨于穩(wěn)定；樁身的累積沉降還會(huì)隨著循環(huán)荷載的增大而增加。希望本文的研究能夠?yàn)橥?lèi)工程提供參考。