斜坡地形樁土相互作用下初始地應力場的處理

甘鳳林 閆 冰 周發鑫

(1.東北電力大學，吉林 吉林 132012;2.甘肅省電力設計院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

與平坡上的樁基礎相比，位于斜坡或陡坡地段的樁基礎不僅承受豎向荷載外，還將承受來自斜坡的側向土壓力;與平坡基礎周邊土體提供的剪切力也有很大的不同;另外，位于斜坡或陡坡地段的樁基礎同時具有承載與抗滑的雙重功能。上面這些受力特點決定了斜坡樁基受力特性更為復雜。斜坡地形樁土相互作用下初始地應力的處理也將更為麻煩。

本文采用大型有限元軟件ANSYS，并考慮樁土接觸行為的影響，實現了斜坡地形的初始地應力有限元模擬，為研究斜坡樁基的承載特性打下了基礎。

1 算例描述

本文以某斜坡輸電線路中典型的平底擴大頭擴底樁為分析對象。計算分析中基礎露頭高度h1為1 m，樁身埋深h2為5 m，樁身直徑d為1 m;基礎擴底端臺階高度h3為1 m，h4為0.5 m，樁底直徑D為2 m，斜坡坡度為45°，如圖1所示。土和樁的材料參數見表1。

表1 材料特性

2 有限元模型的建立

以大型通用有限元軟件 ANSYS12.0為工具，采用軸對稱方法進行模擬，由于ANSYS規定以Y軸為對稱軸，在建立有限元模型時，豎向(樁身軸向)為Y軸，水平向為X軸。樁、土均采用二維八節點的實體單元(Plane82)模擬;土體為DP材料;樁與土體界面處設置接觸單元Contac172和Targe169來模擬樁—土之間的滑動和開裂，選用庫侖摩擦類型。

對模型取足夠大的計算邊界以消除邊界條件對計算結果的影響。經過多次試算，確定土體的計算范圍:寬取10倍樁徑長，樁底取2.5倍樁長。邊界處理:土體區域底部采用全約束，土體側向僅約束X向位移，計算模型如圖2所示。單元選擇見表2。

圖1 樁結構尺寸

圖2 有限元模型

表2 單元選擇

3 初始地應力的模擬

初始地應力場是確定樁—土接觸的原始條件，直接決定了作用于樁側表面接觸壓力的分布與大小，從而影響樁基的力學行為。一般假定樁側面法向壓力為靜止土壓力。初始地應力場通常可通過計算土體自重得到，但同時會產生初始位移，然而實際上這些變形是早期產生的。進行樁基位移分析時，應扣除這部分早已存在的位移。

商業通用軟件中對初始應力場的模擬一直是個難題，ANSYS軟件的初應力文件為解決這樣的問題提供了可能性，它可以很好的模擬初始應力場并且消除初始位移的影響。初應力場可以通過如下兩個過程獲得:

1)樁、土各自使用自己的參數、樁—土界面設置接觸單元，在重力條件下產生初始位移場(見圖3)、初始應力場(見圖4)，生成初始應力文件;

圖3 初始位移場（Y向）

圖4 初始應力場（Y向）

2)首先用EKILL命令殺死接觸單元(Targe169和Contac172)，讀入初始應力文件后，再利用EALIVE命令激活被殺死的單元，然后施加自重模擬成樁過程中產生的位移場。這樣就達到了消除初始位移(見圖5)，施加初始應力場的目的(見圖6)。

圖5 讀入初應力文件后的位移場（Y向）

圖6 讀入初應力文件后的應力場（Y向）

由圖3～圖6可以看出，通過這種讀入初應力文件的方法，土體最大初始沉降位移由24.1 mm減至0.06 mm，很好的消除了初始位移場，而初始應力場變化不大，可以認為較好的保留了初始應力場。

4 結語

本文提出了一種采用有限元軟件ANSYS處理斜坡地形樁土相互作用下初始地應力的方法。算例表明該方法可以很好的消除初始位移場，而較好的保留初始應力場。為研究各種巖土問題提供了一種處理復雜初始應力場的有效方法。

[1]何頤華，王鐵宏.大直徑擴底樁承載力及沉降變形的計算[J］.建筑結構學報，1993，14(2):63-71.

[2]王維金.擴底樁抗拔承載力的分析[D］.長沙:湖南大學，2010.