基于Abaqus的楔形樁泥皮效應動力分析

曾新發

[摘 要]樁基礎由于工藝原因會在樁土接觸側面留下一定厚度的泥皮，泥皮對樁承載力的影響一直以來受到關注。文章利用Abaqus軟件自帶的D-P準則，建立了樁土有限元三維模型，對豎向簡諧荷載動力荷載下樁土接觸面泥皮效應進行研究。分別從樁土應力比、樁身應力、樁頂沉降三個方面進行對比討論，分析指出泥皮對樁側摩阻力影響顯著，應該加強施工工藝，嚴格控制泥皮厚度。

[關鍵詞]有限元；D-P準則；泥皮；樁基礎

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.41.114

1 引 言

現階段基礎建設規模繼續擴大，樁基礎作為常用的基礎形式得到了廣泛應用，其中成孔灌注樁由于工藝原因（如泥漿護壁成孔）會在樁土接觸側面留下一定厚度的軟泥（泥皮），樁側泥皮具有抗剪強度低、含水率高、壓縮性高、摩擦系數低等特點，樁側泥皮導致了樁土之間的薄弱層。

楔形樁即下小上大的圓臺型樁，其樁側壁傾斜受力合理，楔形樁承載能力主要有三部分構成樁底、樁側摩阻力、樁側傾斜側壁法向反力的豎向分力，楔形樁受力顯然不同于等徑樁（圓柱型樁）。

泥皮對樁側阻力及承載力的影響目前學者觀點不一致。張忠苗的試驗表明，考慮泥皮效應后，樁側極限摩阻力約為不考慮泥皮的50%左右，單樁極限承載力下降約20%。

但在動載作用下，泥皮的存在對楔形樁側摩阻力及承載力的影響如何還鮮見報道。本文考慮軟土樁處理路基在交通荷載（簡化為簡諧荷載）下的動力特性，探討泥皮條件下對樁身應力變化、樁頂位移特征、樁土應力比的影響。

2 模型參數

Abaqus軟件是著名的有限元分析軟件，軟件在工程領域廣泛運用并且模擬結果精度高，滿足工程需要。

模型各部件尺寸如下：土體模型1/4土體尺寸為長×寬×高=2m×2m×2.5m，碎石褥墊層總尺寸長×寬×高=0.9m×0.9m×0.2m。樁體尺寸上部直接100mm，下部直徑50mm，側壁傾角1.2度，樁長1200mm。模型參數中土體采用D-P模型，中密度2000kg/m3，填土摩擦角5.28度，粘聚力c=9.2e3pa，膨脹角取摩擦角一半，流應力比0.778，彈性模量取3e7pa，泊松比0.25，硬化行為類型為壓縮型；樁體模型采用各項同性彈性模型，彈性模量E=300MPa，泊松比0.21；碎石墊層為各項同性彈性Mohr-Coulomb模型，采用8節點六面體線性縮減積分三維實體單元C3D8R，密度2000，彈性模量2e8，泊松比0.35。

在樁側-土接觸面設置接觸對，樁為從面土為主面，允許樁刺入土層但允許土層侵入狀體（即樁不破裂），摩擦系數法向1.0，切向摩擦系數分別為1.0、0.5（折減系數）、0（理想光滑側面）；碎石墊層接觸面及樁底接觸面摩擦很小均設置為1.0。

3 數值對比分析

數值分析采用簡諧荷載，無拉應力，幅值4000N，頻率1Hz，振動時間50秒。限于篇幅本文僅以第20次震動結束是的各項數據比較分析，分別從樁頂位移、樁底應力、基礎頂面樁土應力比進行比較。

3.1 土層頂部及樁頂位移分析

由圖1～圖3可知，樁側無滑移是樁頂位移最小，光滑時最大；樁底位移在圖2、圖3中可以看出樁尖有刺入現象，圖1中刺入現象不明顯。

3.2 樁身應力分析

樁身應力分布規律基本相同，都是中部大，這和等徑樁有區別，楔形樁上部直徑大，平均分擔的應力有所減小，但楔形樁樁底受到的壓力還是最大。

樁底應力無滑移時最小1.377×104Pa，有泥皮時為1.448×104，側壁光滑時最大達到1.535×104Pa。樁側泥皮的影響比起無滑移情況樁底應力增加8%，理想光滑時比無滑移增加11.5%，增加并不很明顯是因為楔形樁承載能力樁側摩阻力只是一部分，還要法向力的豎向分力也是承載力的一部分。

3.3 土層頂部樁-土應力比分析

樁土應力比即樁和樁周土應力比值的倒數，數值越大反映樁周土分擔荷載越多，樁土協同工作基礎整體性越好。下表中樁側有泥皮時樁土應力比0.49，相比無滑動情況降低了13%，樁分擔的荷載較多，原因是摩擦減小樁頂荷載通過樁體向樁尖傳遞，這從樁尖應力也可以看出。

4 結 論

本文通過考慮樁側泥皮的存在以及設置接觸面摩擦系數的方式分別考慮樁側無滑動、樁側有泥皮、樁側光滑三種工況對比分析得到：樁側泥皮存在相對于樁側無滑動情況來說，樁頂位移增加9%、樁尖應力增加11%、樁土應力比降低13%。而樁側理想光滑狀態相對于無滑移狀態樁頂位移增加22.9%、樁尖應力增加11.6%、樁土應力比降低15%。由此可見，單樁樁側泥皮對樁基豎向位移影響較大，同時會增加樁尖應力，對于低級深層軟土來說，會進一步增加基礎沉降以及降低承載力。此外，樁側泥皮存在會降低樁土應力比，不利于樁周土來參與承擔荷載，不利于樁土協同工作。

參考文獻：

[1]張忠苗，辛公鋒，吳慶勇，等.考慮泥皮效應的大直徑超長樁離心模型試驗研究[J].巖土工程學報，2006（12）：2066-2071.

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