基于ANSYS 的水平受載樁樁身受力性能的研究

王文晉 王成薈

1 水平受載樁的研究現狀

隨著我國公路橋梁、港口、碼頭、大壩以及工業與民用建筑等事業的高速發展，鋼筋混凝土基樁得到了廣泛地應用［1］。目前對基樁的豎向承載力研究較為成熟，而對水平荷載作用下的混凝土基樁的研究相對較少。雖然相關規范對水平荷載下基樁的設計做了規定，但其計算理論仍較欠缺。當前對水平荷載下基樁受力的研究普遍集中在樁頂受力情況下樁土相互作用體系的研究，而對于樁身水平受荷的研究少之甚少［2］。

針對這一問題，本文對樁身承受水平荷載作用時混凝土基樁的受力性能進行了研究。

2 算例分析

本文選用某工程樁為算例，樁長L=12 m，截面為圓形，樁直徑d=0.5 m，樁的彈性模量 Ep=2.4 MPa，質量密度 ρp=2 500 kg/m3。土為層狀分布，土層參數見表1。表1中ρ為土的質量密度，kg/m3;v為土的泊松比;E為土的彈性模量，Pa。

表1 算例數據表

3 ANSYS模型的建立

ANSYS材料類型豐富，單元模型很多，找出適宜的材料對數值模擬結果起到決定性作用，本文對材料單元與性質的選取與討論如下。

混凝土本構模型種類繁多，大體可分為線彈性模型、非線性彈性模型、塑性理論模型和其他力學理論的本構模型四類［3］。其中研究最多是非線性彈性和彈塑性模型，其他兩類研究得較少。本文選取了非線性彈性模型，通過應力應變關系定義混凝土材料。

有限單元法中，土的本構模型直接影響到解的精確度。常用的土體本構模型有以下幾種［4］:線彈性本構模型、非線性彈性模型、彈塑性本構模型、粘彈塑性本構模型。Drucker-Prager模型是較為成熟的一種模型，被廣泛應用于樁土相互作用的數值計算。本文模型的建立即選用了D-P模型。

計算機模擬時，混凝土樁身選用Solid65單元，土體選用Solid45單元，鋼筋選用Link8三維桿單元。環向箍筋設置20圈，豎向縱筋2根，鋼筋橫截面面積為1.387×10－8m2。

根據表1所列數據，建立了外徑為0.5 m，內徑為0.4 m的空心圓柱體幾何模型。對于土體，本文建立了5層半圓柱體模型。其中，為了建立樁土接觸面，在樁土相接處的位置，在柱體上劃分了5個面。

4 樁身受力性狀的分析

4.1 樁身水平位移曲線的分析

為了較好的研究出在水平荷載作用于樁身處情況下基樁是受力性能，本文設置了9 kN，36 kN，72 kN，108 kN共4種荷載。數值計算結果表明，對于樁身的水平位移，由于樁土作用中土體抗力變化的影響，樁身位移可以劃分為3種類型:較小荷載，中等荷載和較大荷載。當處于較小的范圍時，由于樁身混凝土和鋼筋的剛度較強，樁頂位移最大，此時樁頂的土被擠壓隆起如圖1所示中9 kN時樁身位移曲線。當荷載水平荷載處于中等范圍時，荷載作用處至樁頂的位移差別不大，如36 kN時樁身水平位移曲線。當水平荷載較大時，樁身發生彎曲，最大位移出現在荷載作用處，如108 kN時樁身水平位移曲線。

圖1 水平荷載下樁身水平位移

圖2 水平荷載下樁身水平應力

樁在水平荷載作用下將發生位移，促使樁周土發生相應的變形進而產生抗力，當樁變形增大到樁所不能容許的程度或樁周土失穩時，樁土體系便趨于破壞。從圖1中可以看出，樁身水平受載時，荷載作用處水平位移最大，而對于樁頂，當荷載較小時，樁頂位移與荷載作用點上部點的位移差異不大。這是由于鋼筋混凝土材料具有較強的剛度所致，此時樁頂位移最大。當荷載加大，樁頂位移與荷載作用點位移差異較為明顯。表明了鋼筋混凝土材料進入彈性變形階段。此時樁的受力與簡支梁中部受彎基本一致。

4.2 樁身水平應力曲線的分析

由計算機模擬結果可以看出，樁土接觸面上節點水平應力呈拉壓共存狀態，如圖2所示。這是由土體抗力產生的。樁身應力分布比較復雜，簡單的模型難以總結出規律。對于荷載截面處，當荷載較大時如108 kN時才表現拉應力(14.25 MPa)，荷載較小時，一般最大應力為壓應力，如9 kN時的壓應力－9.74 MPa，且從樁頂至樁底的分布變化不大。隨著荷載增大，應力出現大的波動，荷載作用附近出現應力極大值，如72 kN時，在3.6 m處應力最大。總體的情況是應力呈橄欖形分布，壓應力與拉應力交錯分布。

5 結語

通過對樁身水平位移曲線的分析，得出了樁身水平位移的變化規律。樁身水平荷載作用時水平方向的位移有3種情況:當荷載較小時，樁端由于自由，位移最大。荷載處于中等水平時，由荷載處至樁頂位移比較接近。當荷載較大時，樁身彎曲變形，荷載作用截面上位移最大，并逐漸向兩端減小。

計算機模擬結果表明，樁身水平荷載作用下的水平方向應力基本呈橄欖形分布，最大應力分布在荷載作用截面或是近截面處，底端壓應力與最大應力較為接近，受土抗力和土體變形的影響，樁土接觸面的應力沿樁長方向壓應力與拉應力交錯分布。

［1］ 姜晨光.樁基礎工程理論與實踐［M］.北京:化學工業出版社，2010.

［2］ 楊明輝.巖質陡坡橋梁樁基承載機理及其分析方法研究［D］.長沙:湖南大學，2006.

［3］ 王先軍，周文宇，蔣 鑫.ANSYS在模擬樁土接觸中的應用［J］.森林工程，2006(3):50-51.

［4］ 殷宗澤，朱 泓，許國華.土與結構材料接觸面的變形及其數學模擬［J］.巖土工程學報，1994，16(3):14-22.

［5］ 啟 富.計算樁的有限元方法及程序設計［J］.合肥工業大學學報，1999，22(10):9-13.