抗拔樁樁土相互作用的有限元分析

張俊清

（大連理工大學土木設計研究院，大連市高新區軟件園路80號1401室 116023）

抗拔樁樁土相互作用的有限元分析

張俊清

（大連理工大學土木設計研究院，大連市高新區軟件園路80號1401室 116023）

本文作者通過建立了抗拔樁和土體相互作用的有限元模型，通過詳細的計算結果與其工程實測結果進行了比較，驗證了其所建立模型的正確性。

傾斜荷載、有限單元、抗拔樁

0 引言

但是，在實際工程中，比較少見基樁單純承受豎向或橫向荷載的情況，基本上都是同時承受豎向荷載和橫向荷載(即傾斜荷載)的作用。各種規范工程的算法一般將樁頂的水平力和豎向力分開考慮，然后依據在小變形條件下的疊加原理，可計算樁身的位移及相應的應力，修正方法是在強度的設計過程中將彎矩乘以偏心距增大系數。

但這種簡化方法沒有考慮到土體抗力的作用效應，僅適用于線彈性的小變形情況，具有一定的局限性。早在上世紀70年代，橫山幸滿[1]就指出，應力迭加原理不適用于傾斜荷載受力下的樁。

1 傾斜荷載作用下基樁的受力特性

1.1 基樁的承載力

基樁在傾斜荷載受力作用下，基樁的破壞模式相對較為復雜，其中和基樁本身的強度和抗彎剛度、樁側土體的抗力以及摩阻力、樁端土體的承載力以及所受荷載的傾角等影響因素相關。

1.2 基樁的破壞機理

在傾斜荷載作用下，土對基樁的破壞一般與兩方面的因素有關0：1、樁的豎向承載力可能由于樁側摩阻力和樁端阻力不夠而使土體產生剪切破壞；2、樁側土體對樁的水平抗力不足而使土體發生屈服破壞，樁結構功能失效。

2 有限元模型的實現

2.1 有限單元模型的建立

由于樁基礎結構和荷載具有對稱性，因此采用錯誤！未找到引用源。所示的整體結構的一半建立有限元計算模型。計算程序為大型非線性分析商業軟件ADINA。假設模型中的土層和樁為均質材料。有限元網格采用三維八節點實體單元，并考慮了樁土界面的接觸特性。其中，樁長L為10m，直徑D為0.6m，周圍土體橫向長度取30倍樁徑（10m），縱向深度取3倍樁長（30m）。土體邊界，底面采用縱向約束，側面水平約束。

圖1 有限元模型

2.2 樁土界面的處理

樁土界面接觸面的研究，主要包含兩個方面：一是接觸面本身的本構關系；二是接觸面單元，它是有限元計算時用來模擬接觸面變形和力學特性的一種特殊單元。兩方面的研究是互相聯系的，接觸面單元是為了模擬接觸面上的變形，接觸面變形又要適應所選用的接觸面單元。

3 有限單元實例

淮河干流上的城西湖進洪閘采用抗拔鉆孔灌注樁來解決構筑物的抗浮穩定性問題，2#試樁實測成孔的平均直徑為1190mm，成孔深度14.0m，實測抗拔極限承載力為2640kN，極限樁頂位移17.65mm，共分11級荷載完成抗拔試驗。文獻0給出了試驗測得的樁頂位移與上拔荷載的關系曲線。本文對這一工程實例進行數值模擬，以驗證所建立有限元模型的正確性。需要指出的是，土體的破壞性狀極大地受到土體內的初始應力的影響，尤其是受到沿可能破壞面上的初始法向應力以及初始剪應力與初始法向應力之比的影響0。

樁體和地層參數如表1所示，D-P模型的內摩擦角22°、18°和32°對應摩爾-庫倫模型的內摩擦角為10.91°、8.87°和16.44°。為土體初始應力云圖，表2對比了模型中的2個關鍵點的應力理論值與計算值，對比發現理論值和ADINA計算得到的應力基本相同，可以認為初始應力計算是可行的。

圖2 實例模型點的設置

圖3 土體初始豎向應力云圖

圖4 模型中應力監測

表1 計算參數

表2 監測點應力的比較

根據 Randolph和 Wroth(1978)等的研究，在樁側距離樁軸 nD（n＝8～15，D為樁徑）處剪應變減小到零。本文經過試算，計算距離取n為10與n為15的計算結果幾乎無差異。本文取n為 10。土體計算范圍水平向為 10倍樁徑，豎向 2倍樁長。模擬三維8節點塊單元，樁側和樁端與土之間設置面面接觸單元。模擬結果如圖5所示。

圖5 有限元結果與試驗結果Q-S曲線比較

5 結論

分析有限元的數值模擬結果與文獻中的實測數據，其結果表明數值模擬結果和實測結果基本吻合，趨勢基本一致，充分說明該有限元模型是正確的，能夠較好地模擬抗拔樁的承載性狀。后面將基于該數值模型，通過一系列的計算和對比考查影響斜向抗拔樁承載性狀的主要因素。

[1] 橫山幸滿. 樁結構物的計算方法和計算實例. 唐業清, 吳慶蓀譯.北京: 中國鐵道出版社.1984.

[2] 鄔寶林. 傾斜荷載下群樁內力的非線性有限元分析: [D]. 長沙: 湖南大學.2003.

[3] 史鴻林,王維雅,劉慶展. 用抗拔樁處理水工建筑物抗浮的試驗研究[J].水利水電技術. 1996(7).

[4] 徐蓉, 何炎平, 譚家華. 幾種新型深海錨泊形式概念.中國海洋平臺2005,20(2)

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1007–6344（2015）01–0318–01