根式基礎抗壓承載機制數值模擬研究

朱 昊

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年來,我國交通事業飛速發展,跨江、跨河的橋梁建設越來越多。而我國江河流域的橋梁大多處于深厚覆蓋層地區,地基土體承載力低,傳統的普通樁基礎在該類地基下樁-土共同作用發揮效率低,須嵌巖才能達到承載力要求。殷永高[1]針對傳統樁基礎的不足之處提出根式基礎的概念,根式基礎是在沉井基礎中預留頂推孔,待沉井下沉到設計標高后再向土層中頂推預制的根鍵,將根鍵與沉井固結后,形成根式基礎。龔維明等[2]以馬鞍山長江大橋為背景,開展了根式基礎的豎向承載力試驗研究,得出根式基礎在以砂土層和卵石層作為持力層時,其豎向極限承載力較之于普通樁基礎分別提高了約100%和63%。

本文所研究的通過數值模擬方法分析根式基礎與普通樁基礎在荷載作用下樁身各部位的承載占比。

1 數值模擬

1.1 模型建立及本構關系

本文根式基礎和普通樁基礎采用相同數值網格模型,如圖1所示。樁長30.0 m,樁徑2.5 m,根鍵外露1.0 m,寬0.5 m,高0.5 m。土體長80 m,寬80 m,高80 m。網格沿豎直方向均勻劃分,其中樁段每0.25 m高度劃分一層單元。本次模擬中對模型四周的法向方向進行約束,在模型的底面對三個方向進行約束,作為本次模擬的邊界條件。土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型,樁體采用Elastic彈性本構模型,接觸面單元采用Mohr-Coulomb本構模型。普通樁在樁底和樁側面建立獨立的兩接觸面,避免出現樁底和樁側面接觸面接觸面節點融合導致受力與實際不相符[3]。根式基礎除樁底和樁側面外,在根鍵處另建一接觸面。

圖1 FLAC 3D數值網格模型

1.2 材料參數取值

材料參數見表1。接觸面參數取值:接觸面法向剛度與切向剛度取1.6 GPa,摩擦角取14°,黏聚力取1 kPa。

表1 土體與樁參數表

2 數值模擬結果分析

2.1 根式基礎與普通樁Q-s曲線對比分析

根式基礎與普通樁Q-s曲線如圖2所示。在分級荷載作用下,普通樁Q-s曲線在荷載達到11 000 kN時產生明顯轉折點,而根式基礎Q-s曲線在荷載達35 000 kN時才產生明顯轉折點。對比普通樁基礎,根式基礎的極限承載力提高了218%。

圖2 根式基礎與普通樁Q-s曲線

2.2 根式基礎與普通樁各部位分擔荷載對比

FLAC 3D通過接觸面模擬樁土的接觸問題,接觸面單元由一系列三節點的三角形單元構成,接觸面單元將三角形面積分配給各個節點,每個接觸節點都有一個相關的表示面積。接觸面節點相關面積的分布如圖3所示。FLAC 3D通過接觸面節點和實體單元表面之間建立聯系。接觸面法向方向所受到的力由目標面方向所決定,切向方向所受到的力分為三個矢量方向[4]。

圖3 接觸面節點相關面積的分布

樁身在荷載作用下,由接觸面將荷載傳遞給周圍土體,因此通過將接觸面的法向應力和切向應力(軸向方向)乘以相應面積即可得到端阻力和側摩阻力。本文對普通樁的樁端阻力和樁側摩阻力進行了計算,根式基礎除上述外還計算了根鍵端阻力和根鍵側摩阻力。計算端阻力和側摩阻力所用的公式如下：

(1)

(2)

式中:Qp為端阻力;qPi為第i號接觸面節點的法向應力;APi為第i號接觸面節點的面積;QS為側摩阻力;qSi為第i號接觸面節點的切向應力(樁軸向方向);ASi為第i號接觸面節點的面積。

普通樁基礎和根式基礎的各部位承擔荷載占比如圖4和圖5所示。

圖4 根式基礎各部位承擔荷載占比

圖5 普通樁基礎各部位承擔荷載占比

從圖4和圖5可以看出,普通樁基礎在樁達到極限承載力前,主要由樁側摩阻力承擔荷載,在達到極限承載力后,主要由樁端阻力承擔荷載；對于根式基礎，隨著荷載增加,樁端阻力占比和根鍵端阻力占比逐漸減小,樁側摩阻力占比逐漸增大,根鍵側摩阻力相對增長較小。在加載到最大荷載時,普通樁基礎的樁端阻力承載占比65.64%,樁側摩阻力承載占比34.36%;根式基礎的樁端阻力承載占比19.92%,樁側摩阻力承載占比21.41%,根鍵端阻力承載占比56.08%,根鍵側摩阻力承載占比2.57%。若將根鍵端阻力和根鍵側摩阻力視為樁側摩阻力,可得出在荷載為1 1000 kN時,根式基礎相較于普通樁,其樁端阻力減小了50.07%,樁側摩阻力提高了93.91%,這是根式基礎通過根鍵加強樁土共同作用,從而提高承載力、減少沉降的根本原因。

3 結 論

通過上述分析,可得出：根式基礎中根鍵的存在使得樁側摩阻力提高,樁端阻力減小,從而提高了根式基礎的承載能力,減少了基礎的沉降。