錐形樁承載性能模擬分析

摘要：錐形樁是一種既節省材料，施工簡單，又提高樁的單位承載力的優良樁型。本文的目的是要通過有限元軟件ANSYS對錐形樁的工作機理和承載性能進行模擬分析，研究錐形樁承載力提高的原因。

關鍵詞：錐形樁；單位承載力；承載性能；工作機理

引言

錐形樁是楔形樁的一種，是一種既節省材料，施工簡單，又提高樁的單位承載力的優良樁型。它巧妙地利用樁楔形側面，充分發揮了樁與土體間的相互作用，猶如楔子楔入地基土中。除摩阻力（切向抗力）外，土體對楔形側面產生一法向抗力，即支承力，從而提高了錐形樁的承載力。本文的目的是要通過有限元軟件ANSYS對錐形樁的工作機理和承載性狀進行模擬分析，研究錐形樁承載力提高的原因。

1 計算模型

1.1 建模要點

在錐形樁的數值模型中，充分考慮了樁-土之間的相互作用以及土體的非線性，建模要點如下：

1）樁、土均用PLANE42單元建模；

2）通過更改ANSYS中的PLANE42單元的關鍵詞，將樁、土簡化為軸對稱問題；

3）土體的本構模型采用Drucker-Prager模型以考慮土的非線性行為；

4）在樁身和土之間設無厚度的接觸單元以模擬其相對變形特性；

5）為突出研究重點，本文不考慮土體的分層；

6）樁側與樁底土的計算范圍足夠大，接近實際情況，以保證計算的準確性；

7）設置邊界條件，最外層的土約束住徑向自由度，最底層的土約束住所有自由度，對稱軸處的土與樁身約束住徑向自由度。

1.2 材料參數及網格劃分

本文模擬的錐形樁尺寸為：D=1.5m，d=0.6m，L=10m，。樁身彈性模量E=25Gpa，泊松比 =0.2，樁頂施加6000kN的豎向荷載，分10級加載。為突出方法的重點，不考慮土體的分層，土體參數如表1所示。

表1 土體的參數

參數名稱 E/MPa /kg/m3 c/kPa

參數值 100 0.3 1800 30 25 0

2 荷載傳遞規律

2.1 錐形樁Q-S曲線

在提取Q-S曲線時，樁頂位移取對稱軸處樁頂節點的豎向位移。在第一個荷載步中，通過施加重力加速度計算土體自重下的應力狀態，并提出重力影響下樁頂的位移S0，其他各步荷載作用下的位移均扣除S0，即各級荷載作用下的位移均扣除自重的影響，模擬分析所得Q-S曲線如圖3所示。由該曲線可以看出，錐形樁的Q-S曲線呈緩變型，極限承載力應根據變形控制原則，即樁頂沉降量確定。

圖3 Q-S曲線

2.2 樁身軸力

本文計算了在樁頂荷載1500kN、3000kN、4500kN 及6000kN四種情況下軸力沿樁身的分布。

計算軸力時采用ANSYS后處理POST1中映射路徑的方法，首先定義一個路徑L：取對稱軸上沿樁頂的1點到樁底的2點，然后將樁單元Y向應力SY映射到路徑L上，最后提取路徑上的SY數值再乘以樁身橫截面面積即得到樁身軸力的分布，如圖4所示。由圖可見，隨著荷載的增加，樁身各截面軸力都呈遞增趨勢；隨截面深度的增加，軸力大小呈遞減趨勢。因本文模擬的土體是均質的，所以軸力曲線較為平緩。

圖4 軸力分布

2.3 側摩阻力分布

對于普通的直身樁側摩阻的計算是基于軸力計算的結果，利用側摩阻與軸力的關系 。

提取某一直身樁頂2800kN、4200kN及5600kN 三級荷載作用下的側摩阻力，可以看出：

1）側摩阻在各級荷載作用下的分布規律基本相同，隨著荷載的增加側摩阻力逐漸發揮；

2）就單級荷載來看，側摩阻與理想的“單駝峰”狀較為吻合。就多級荷載看，隨著荷載的增加，側摩阻峰值逐步向下移動，原因在于均質土層中的單樁在豎向荷載作用下越靠近樁身上部的樁身壓縮量及位移量越大，相應的樁-土間相對位移越大，隨著樁頂荷載的增加逐漸調動下層土側摩阻的發揮；

3）接近樁底時，摩阻力顯著減小。一方面原因應在于樁底土的泊松效應導致靠近樁底的樁側法向應力減小，從而導致切向應力降低。另一方面原因在于樁端部樁-土間相對位移較小。

2.4 錐形樁作用機理分析

錐形樁在垂直荷載作用下，通過樁周將荷載傳遞給土層，絕大部分作用力變為對土層側壓力，其作用力方向向四周擴散，擴散范圍更寬。所以錐形樁具有較高承載力。

錐形樁在外部荷載作用下，被擠密的樁周土體通過錐形面承受大部荷載，樁端土體支承作用甚小。所以錐形短樁單樁承載力主要受錐形面對土體擠密的影響，是土體變形的一個函數，法向力和摩阻力的合力是主要的支承力。成樁過程中形成的土體擠密區，形似一倒放的桃子，其大小與土體物理力學性質、樁的尺寸、體積及錐角有關，且成正比例關系。其中錐形樁的錐角是影響擠密區大小的主要因素。

錐形樁沉降時擠壓土層，土對樁周產生被動土壓力，與上部荷載平衡。當樁上部荷載超過極限平衡時，土體發生破壞。

3 結論

1）錐形樁的受力機理不同于一般樁基，錐形樁的楔型構造改變了樁周土的天然結構狀態，改善了土的物理力學性質，有利于提高錐形樁的承載力；

2）樁的楔形截面有利于發揮樁土的共同作用。打樁過程中錐形樁起物理楔的作用，打樁能量的大部分通過樁側傳給了樁周土，在樁周形成擠密區，承擔了大部分荷載，其平均單位承載力與等截面樁相比約提高80%；

3）錐形樁的技術經濟效果顯著，平均單位承載力相同的條件下比等截面樁節省材料約80%。

參考文獻

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