樁—土相互作用對RC樁基水平受力性能研究

盧笑芳 陳毅勇 羅昌財 楊 峰

(福建林業職業技術學院 交通工程系，福建 南平 353000)

1 引言

樁基作為重要的基礎結構，在橋梁結構、房建結構和港口工程等領域被廣泛應用，在土體性質較差的場地修建結構時，需要修建不同類型的樁基結構，此時在外部荷載如偏載、波浪荷載、溫度荷載和地震荷載作用下會引起顯著的樁—土相互作用效應，該效應對樁基在不同荷載作用下的力學性能研究也越來越引起國內外許多學者的重視。

土體作為一種高度非線性材料，與樁基礎的相互作用較復雜，目前仍是許多研究者關注的熱點之一。許多學者對樁基的研究方式各有差異，有些考慮了土體的影響，而有些則忽略了土體對樁基的影響或將土體簡化為土彈簧的形式，如戎賢等對高強預應力（PHC）管樁的抗震性能進行了研究，并未考慮土體的影響；蘇振明對PHC管樁的水平受力性能也進行了研究，研究中將土體簡化為土彈簧的形式；黃福云等與莊一舟等對PHC管樁和鋼筋混凝土(RC)樁在砂土內的抗震性能進行了研究。因此，不同學者針對土體對樁基受力影響作用的研究方式各有差異，然而考慮土體對樁基受力影響的深入研究尚有不足。

2 三維ABAQUS有限元模型

2.1 模型介紹

本文采用ABAQUS有限元軟件建立了兩個模型：模型1為RC樁基—土相互作用有限元模型、模型2為單一RC樁基的有限元模型，以研究樁—土相互作用對RC樁基的水平受力性能的影響。土體和RC樁基采用縮減積分C3D8R單元，鋼筋（包括縱向受力筋和箍筋）采用T3D3單元。其中，樁基直徑和長度分別為300mm和4m，埋入土體4m。

土體采用圓形狀，直徑為3m，高度為4m。縱向受力筋采用8根直徑12mm的鋼筋，鋼筋長4m；箍筋直徑為8mm，沿樁身等間距布置，布置間距為100mm。模型1和模型2見圖1和圖2。

圖1 模型1：RC樁基—土相互作用有限元模型

圖2 模型2：RC樁基有限元模型

2.2 邊界關系

RC樁基與土體之間采用面—面接觸，切向采用摩擦罰函數，法向采用硬接觸。縱向鋼筋與箍筋合并成一個整體，嵌入RC樁基內。土體側面限制其側向移動，釋放豎向平動，樁底與土體采用固結形式。

2.3 材料本構關系

ABAQUS模型中，土體為粘土，采用Mohr—Coulomb本構模型，其力學參數見表1。RC樁基采用C40混凝土，采用單軸壓縮應力—應變曲線，其力學參數見表2。鋼筋采用的是二折線本構，其力學參數見表3。

表1 粘土力學參數

表2 C40混凝土力學參數

表3 鋼筋力學參數

2.4 地應力平衡

由于模型1考慮RC樁基—土的影響，因此，模型1需進行土體地應力平衡。地應力平衡采用ODB導入方法，第一步將樁基與鋼筋通過Model Change進行消除，限制土體外側與內側側向平動，土體底部固結，僅允許土體在豎直方向的運動；第二步將第一步計算完的ODB文件導入，進行地應力平衡，隨后施加荷載。圖3給出了模型1的土體地應力平衡后的位移與應力。從圖3可知，土體地應力平衡后，土體的豎向最大位移為3.123×10-8mm，已足夠小，可滿足后續階段的加載。

圖3 平衡后土體Mises應力與豎向位移

2.5 加載模式

文中采用單調加載制度和位移加載的方式，加載位移從0～10mm階段以ΔY=2mm的間隔進行加載，隨后在10～120mm階段以ΔY=10mm的間隔進行加載，詳見圖4。

圖4 加載制度

3 受力性能對比分析

3.1 樁基破壞現象比較

加載結束后，對樁基礎的破壞情況進行比較，圖5和圖6分別給出了模型1和模型2加載結束后樁身的屈服應力Mises和等效塑性應變PEEQ分布情況。

對比發現，樁—土相互作用的RC樁基最大應力出現在4.5D埋深處（D為樁徑），最大應力為26.8MPa, 剛好為材料的屈服應力（26.8MPa），其等效塑性應變大于0，說明樁身混凝土已發生開裂。不考慮樁—土相互作用的RC樁基的最大Mises應力同樣也達到了材料的屈服應力（26.8MPa），其等效塑性應變也大于0，樁身混凝土同樣發生了開裂，但其開裂位置位于樁底處，破壞模式與模型1存在明顯差異。這主要因為土體發揮了土彈簧的作用，對樁基提供較好的側向支承作用，使其破壞出現在較淺埋深處，而模型2的RC樁類似懸臂結構，在底部受力最大。說明考慮樁—土相互作用與否對樁基的破壞模型存在顯著影響。

圖5 模型1：樁身Mises和PEEQ應力分布

圖6 模型2：樁身Mises和PEEQ應力分布

3.2 力—位移曲線比較

圖7給出了模型1與模型2的力—位移曲線比較。由圖7可知，模型1和模型2的力—位移曲線主要分為彈性階段與塑性階段，在彈性階段的力—位移曲線呈線性變化，荷載隨著位移呈快速增長變化規律，到了塑性階段，荷載隨著位移加載呈現的增長速率明顯減慢。

此外，還發現樁—土相互作用的模型2的RC樁基的樁頂荷載較模型1顯著增大，在120mm位移荷載下，模型1的荷載較模型2增大了445%，這主要由于粘土對樁基提供很好的支撐作用，在相同位移荷載作用下可承受更大的外面荷載，這也說明樁—土相互作用對樁基的承載力影響很大。

3.3 樁身位移比較

圖8和圖9給出了模型1和模型2 的RC樁基的變形曲線。由圖8和圖9可知，模型1和模型2的樁身變形曲線存在明顯差異，模型1的RC樁基變形主要出現在0～8.3D范圍，表現出了彈性樁的變形形式，而模型2的RC樁基變形出現在0～樁底范圍，表現了剛性樁的變形形式。

彈性樁的變形形式更有利于樁基的安全受力，表現為延性破壞，而剛性樁的破壞表現為脆性破壞，較為不利。因此，樁—土相互作用對RC樁基的受力是有利的。

圖8 模型1的樁身變形

圖9 模型2的樁身變形

3.4 樁身彎矩比較

圖10給出了模型1和模型2的RC樁基沿埋深方向的彎矩分布。由圖10a&b對比可知，模型1和模型2的樁身彎矩沿埋深方向差異較大。模型1的RC樁基彎矩隨埋深呈現先減小后增大的變化規律，在埋深4.3D時達到最大，而模型2的RC樁基則沿埋深方向呈現不斷增大的變化規律，在樁底時達到最大。此外，模型1的最大彎矩也明顯較模型2大，這主要由于模型1的RC樁基承受較大的土抗力，使其彎矩明顯較模型1的大。

圖10 樁身彎矩分布

3.5 樁身剪力比較

圖11給出了模型1和模型2的RC樁基沿埋深方向的剪力分布。由圖11a&b對比可知，模型1的RC樁基沿埋深方向的剪力分布與模型2存在較大差異，模型1的剪力沿埋深首先呈現減小的變化規律，至6.2D埋深后基本保持不變，而模型2的RC樁基剪力沿埋深方向基本一致。同樣，模型1在樁—土相互作用的影響下明顯較模型2的大。

圖11 樁身剪力分布

4 結語

本文采用ABAQUS軟件建立了樁—土相互作用的RC樁基與單一RC樁基的有限元模型，研究樁—土相互作用對RC樁基受力的影響，得到以下結論：

（1）樁—土相互作用對RC樁基的破壞模式有較大影響，考慮樁—土相互作用的RC樁基破壞出現在埋深4.5D處，單一RC樁基的破壞模式出現在樁底處。

（2）土體對RC樁基具有較強的支承作用，引起的樁—土相互作用會使RC樁基的承載力大大增加。

（3）樁—土相互作用的RC樁基表現為彈性樁的變形形式，以延性破壞為主，單一的RC樁基表現為剛性樁的變形形式，以脆性破壞為主，更為不利。

（4）樁—土相互作用對樁身彎矩的影響很大，樁—土相互作用的RC樁基最大彎矩出現在4.3D埋深處，單一的RC樁基最大彎矩出現在樁底。

（5）樁—土相互作用對樁身剪力的影響很大，樁—土相互作用的RC樁基剪力在0～6.2D埋深呈減小變化規律，超過后基本不變，而單一的RC樁基最大剪力沿埋深呈現不斷增大變化規律，至樁底時最大。