循環荷載作用下單樁摩阻力數值模擬

曹新恒 程志強 馬 晶

0 引言

我國早期修建的橋梁隨著設計荷載等級不斷提高迫切需要進行加固與改造,這樣才能滿足日益繁重的交通運輸要求。樁基礎作為橋梁基礎的主要形式之一,其承載能力是否滿足更高荷載的要求,在長期活載作用下其承載能力的變化規律是直接關系到如何對橋梁進行加固和改造的關鍵問題之一。本文采用ABAQUS有限元數值模擬軟件,針對樁長為20 m、樁徑1 m的橋梁樁基在不同土層、不同循環荷載作用下的變化情況進行了數值模擬分析。

表1 材料參數

1 有限元模型基本假定及材料參數

豎向荷載作用下的樁土相互作用簡化為軸對稱的平面模型。樁身采用CAX4R單元、樁周土采用CAX8R單元。樁周土為勻質土;樁為彈性材料。材料參數見表1。

2 荷載確定

2.1 荷載值的確定

根據使用狀態下的橋梁樁基礎的受力特性,對現有的橋梁設計及使用情況進行調查統計分析,得到活載比例為20%～40%。兩種土層中的荷載計算結果見表2。

表2 不同土層荷載參數表 MPa

2.2 加載方式

樁頂荷載采用正弦曲線變化方式加載,加載式如下:

其中,Q(t)為實際加載在樁頂荷載,kPa;Q0為加載在樁頂的恒載;W為動力荷載的平衡荷載值,kPa;A0為動力荷載的半幅值,kPa;t為加載時間,s。

3 數值模擬結果分析

3.1 樁側摩阻力隨循環荷載作用次數的變化

模擬計算的結果表明樁側摩阻力在循環荷載作用下是不斷變化的,兩種土中變化情況見圖1,圖2。

從圖1中可以看出在 E=6 MPa的黏性土中2萬多次的循環加載周期內樁側摩阻力發生了比較明顯的變化,其變化概括為:1)樁側摩阻力在兩端不斷減小中間增大,樁側摩阻發生轉移;2)樁側摩阻力在循環加載初期變化較大,隨著循環次數的增加這種趨勢逐漸減小,加載后期基本上不再變化;3)荷載比對樁側摩阻力變化速度有較大影響,同時也會影響到摩阻力沿樁身的分布,荷載比越大摩阻力增加越快、摩阻力分布越向樁身的中段集中。

從圖2中可以看出在E=60 MPa的黏性土中樁側摩阻力的變化特點是:1)沿整個樁長范圍內樁側摩阻力隨循環荷載作用次數的增加逐步增長;2)循環荷載比越大樁側摩阻力的增加幅度越高;3)樁底摩阻力增加明顯,在循環加載作用下樁底摩阻力不斷強化,40%動載比時樁底處摩阻力增加了95%;4)由于土的彈性模量比較大,樁側摩阻力的變化非常穩定。

3.2 循環荷載作用下樁側土總摩阻力變化趨勢

樁側摩阻力分布的變化必然會影響到樁側土對樁基礎總摩阻力的變化,從樁側總摩阻力變化趨勢可以看出:1)活載的比例會影響到樁側摩阻力的增長速率,活載比例越小樁側摩阻力增加越慢,達到穩定所需要的循環次數越多;2)在彈性模量較高的土層中活載比例越高樁側摩阻力的提高程度越大;3)土的彈性模量對摩阻力的變化趨勢有明顯影響:彈性模量小樁側摩阻力增加快、趨于穩定所需循環加載次數少,彈性模量大樁側摩阻力增長平緩、達到穩定所需循環加載次數多。循環加載前后樁側總摩阻力變化情況如表3所示。

表3 循環加載前后樁側總摩阻力變化情況

4 結語

本文通過對循環荷載作用下的樁基礎進行有限元數值模擬分析得出:1)樁側摩阻力在循環荷載作用下隨著加載次數的增加逐漸增加;2)樁側摩阻力的提高存在一個極限值,達到極限值之后不再提高;3)土的彈性模量對樁側摩阻力變化速率的影響比荷載比更加明顯,在彈性模量比較高的時候樁側摩阻力的增加與循環荷載作用次數近似呈線性關系。

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