不同剛度樁土接觸面對單樁承載變形效應(yīng)的影響

張 瑞 海

(河北省靈壽縣第一建筑工程公司，河北 石家莊 050500)

不同剛度樁土接觸面對單樁承載變形效應(yīng)的影響

張 瑞 海

(河北省靈壽縣第一建筑工程公司，河北 石家莊 050500)

指出樁土接觸面剛度的確定是研究樁土共同作用的重要一環(huán)，采用數(shù)值方法結(jié)果對其進(jìn)行研究是一種有效的方法，針對不同地質(zhì)條件，利用FLAC3D模擬不同剛度的地基土中的樁土作用體系，分析了樁土接觸面剛度對樁身承載變形的影響，得出了一些有意義的結(jié)論。

有限差分法，樁土接觸面，剛度系數(shù)，應(yīng)力分布

0 引言

目前常用的研究接觸面性質(zhì)的有現(xiàn)場試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析等多種方法，通過對各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比分析，本文考慮采用數(shù)值方法對其進(jìn)行理論分析研究。

1 分析方法

FLAC3D是基于有限差分法開發(fā)的一種軟件，在巖土、地質(zhì)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，下面對其一些基本概念進(jìn)行介紹。

1.1 節(jié)點(diǎn)力

FLAC3D將模型分為由四邊形單元組成的有限差分網(wǎng)格，在單元格內(nèi)部又將每一個(gè)四邊形單元格分為兩組可以各自相加為四邊形的常應(yīng)變?nèi)切螁卧鐖D1所示。

由應(yīng)變速率推導(dǎo)出應(yīng)力后可以確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的等效力，作用在三角形各邊上的力即為每個(gè)三角形子單元的應(yīng)力，每個(gè)三角形的角都受兩個(gè)力，這兩個(gè)力都由鄰邊產(chǎn)生，由下式計(jì)算：

(1)

1.2 接觸面

一般描述接觸面有法向剛度kn與切向剛度ks兩個(gè)參數(shù)，為對其進(jìn)行精確分析，軟件中采用彈塑性模型對其進(jìn)行模擬，簡圖如圖2所示。

兩個(gè)參數(shù)物理意義如下：

kn=-Δσn/Δun，ks=-Δτ/Δus

(2)

也可采用如下近似算法：

(3)

2 樁土接觸模擬分析

利用FLAC3D模擬幾組簡單地質(zhì)條件下的單樁載荷試驗(yàn)，研究接觸面法向剛度與切向剛度對樁的豎向承載力影響的大小，根據(jù)實(shí)際情況，主要通過樁頂沉降、應(yīng)力分布對樁土系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2.1 硬土

1)樁頂沉降曲線。圖3中橫軸表示計(jì)算時(shí)步，縱軸表示樁頂沉降。根據(jù)模擬分析結(jié)果，試驗(yàn)1的樁頂沉降最大為3.09 mm，試驗(yàn)2的樁頂沉降3.03 mm，試驗(yàn)3的樁頂沉降為2.78 mm，其沉降值最小。根據(jù)地基土模型參數(shù)分析模擬結(jié)果可知，當(dāng)切向剛度相同時(shí)，法向剛度相差3倍時(shí)，其樁頂沉降變形幾乎相同，可見法向剛度對沉降變形的影響較小；而樁土接觸面法向剛度相同時(shí)，切向剛度相差3倍時(shí)，樁土界面切向剛度小的試樁沉降比剛度大的沉降增加約11%，此次樁土界面切向剛度對樁頂沉降量影響較大。

2)應(yīng)力分布。圖4為不同條件下硬土地基土中的豎向應(yīng)力分布，由其分布特征來看，三圖中的豎向應(yīng)力分布差別不大說明硬土中樁土接觸面切向剛度與法向剛度對樁土體系中的豎向應(yīng)力分布影響較小。

3)豎向位移分布云圖。圖5為樁土共同作用體系中的豎向位移分布云圖，由圖可知，試樁1與試樁2中樁土體系的豎向位移差別很小，試樁3中樁土體系的豎向位移與試驗(yàn)1、試驗(yàn)2差別較大,可見硬土中樁土接觸面切向剛度對樁土體系的豎向位移分布影響較大，樁土接觸面法向剛度對樁土體系的豎向位移分布影響很小。

2.2 軟土

1)樁頂沉降。圖6中橫軸表示計(jì)算時(shí)步，縱軸表示樁頂沉降。根據(jù)模擬分析結(jié)果，試樁4的樁頂沉降最大為2.38 mm，試樁5的樁頂沉降2.32 mm，試樁6的樁頂沉降為1.65 mm，其沉降值最小。根據(jù)地基土模型參數(shù)分析模擬結(jié)果可知，在軟土地基中，當(dāng)切向剛度相同時(shí)，法向剛度相差3倍時(shí)，其樁頂沉降變形幾乎相同，可見法向剛度對沉降變形的影響較小；而樁土接觸面法向剛度相同，切向剛度相差3倍時(shí)，樁土界面切向剛度小的試樁4沉降比剛度大的試樁6的樁頂沉降增加約20.7%，因此，樁土界面切向剛度對樁頂沉降量影響較大。

2)豎向應(yīng)力分布云圖。圖7為不同條件下軟土地基土中的豎向應(yīng)力分布，由其分布特征來看，三圖中的豎向應(yīng)力分布差別不大說明軟土中樁土接觸面切向剛度與法向剛度對樁土體系中的豎向應(yīng)力分布影響較小。

3)豎向位移分布云圖。圖8為軟土地基樁土作用體系豎向位移分布云圖，由圖可知，試驗(yàn)4與試驗(yàn)5中樁土體系的豎向位移差別很小，試驗(yàn)6中樁土體系的豎向位移與試驗(yàn)4、試驗(yàn)5差別較大,可見硬土中樁土接觸面切向剛度對樁土體系的豎向位移分布影響較大，樁土接觸面法向剛度對樁土體系的豎向位移分布影響很小。

3 結(jié)語

1)采用有限差分法可以較好的模擬考慮樁土作用面剛度條件下，樁土作用體系應(yīng)力和位移的空間分布特征；2)在不同接觸面剛度的硬土與軟土中，接觸面的切向剛度對樁體的變形和承載性狀有較大影響；接觸面的法向剛度對樁身承載力的影響不顯著；3)通過增加樁土作用面的粗糙度和樁土作用區(qū)的抗剪強(qiáng)度，對提高樁身承載力有明顯的效果。

[1] 劉利民.樁基工程的理論進(jìn)展與工程實(shí)踐[M].北京:中國建材工業(yè)出版社，2002.

[2] 錢家歡,殷宗澤.土工原理與計(jì)算[M].北京:中國水利水電出版社，2003.

[3] 黃紹銘.軟土地基與地下工程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[4] 宰金珉,宰金璋.高層建筑基礎(chǔ)分析與設(shè)計(jì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1993.

[5] 董建國,趙錫宏.高層建筑地基基礎(chǔ)—共同作用理論與實(shí)踐[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

[6] 史佩棟.實(shí)用樁基工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.

[7] 朱百里,沈珠江.計(jì)算土力學(xué)[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，1990.

[8] 周愛兆,盧廷浩.土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性研究現(xiàn)狀與展望[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),2007,35(5):524-528.

[9] 殷宗澤.土與結(jié)構(gòu)材料接觸面的變形及其數(shù)學(xué)模擬[J].巖土工程學(xué)報(bào),1994,16(3)：236-240.

[10] 王志宏.巖土工程有限元分析法[M].北京:北京鋼鐵學(xué)院出版社，1993.

[11] 彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[12] 陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京:中國水利水電出版社，2009.

Influence of stiffness of pile-soil contact on the bearing capacity and deformation of single pile

Zhang Ruihai

(HebeiLingshou1stBuildingEngineeringCompany,Shijiazhuang050500,China)

The determination of pile-soil interface stiffness is very importance for studying mutual interaction of pile and soil. Applying numerical method is an effective method. In light of various geological conditions, the paper simulates pile-soil interaction with different stiffness by applying FLAC3D model, analyzes the impact of pile-soil interface stiffness upon pile bearing deformation, and finally draws some meaningful conclusions.

finite-difference method, pile-soil interface, stiffness coefficient, stress distribution

2014-12-12

張瑞海(1969- )，男，工程師

1009-6825(2015)06-0079-02

TU473.11

A