堆载条件下基桩负摩阻力的有限元分析.pdf

引 用 格 式:F AN GH a i z h e n g,L ID o n g p i n g F i n i t eE l e m e n tA n a l y s i so fN e g a t i v eF r i c t i o n a lR e s i s t a n c e f o rP i l eu n d e rS u r f a c eL o a dJJ o u r n a l o fG a n s uS c i e n c e s,():方海正,栗东平堆载条件下基桩负摩阻力的有限元分析J甘肃科学学报,():d o i:/j c n k i i s s n 堆载条件下基桩负摩阻力的有限元分析方海正,栗东平,(河北工程大学土木工程学院,河北 邯郸 ;河北工程大学计算力学与工程应用研究中心,河北 邯郸 )摘要为了研究堆载对基桩负摩阻力的影响,利用有限元软件建立桩土相互作用模型并进行分析.计算结果表明,在相同工况下持力层的压缩模量越大,桩身轴力增加,中性点位置更靠近桩端,但基桩的摩阻力分布相同.在堆载等级、堆载时间对负摩阻力和中性点位置的影响分析中发现:桩身轴力随堆载等级的增大而增大,但端承桩的中性点位置不发生改变,摩擦桩的中性点位置下移;堆载时间增长,桩身轴力增大,孔隙压力消散.施工顺序对负摩阻力的影响也很大,先堆载后桩载产生的负摩阻力最小,并且中性点位置距离桩端最远,反之负摩阻力最大,且中性点位置距离桩端最近.关键词负摩阻力;堆载;桩身轴力;中性点;加载顺序中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:()桩土相对位移是产生桩侧摩阻力的重要原因之一,当桩周存在欠固结土层,对土层施加地面堆载会产生土体沉降.如果桩体沉降小于土体沉降,桩周土会对桩侧产生下拉荷载,称为负摩阻力.而桩侧负摩阻力并不能承担上部荷载,反而会增大桩体沉降并减小桩身承载力,给后续施工带来困难.自从上世纪 年代太沙基提出负摩阻力的概念之后,国内外学者开始了对负摩阻力的研究,目前研究方法主要包括理论计算、室内模型试验和数值模拟等几个方面.在理论计算方面,袁灯平等利用剪切位移法计算桩侧负摩阻力,并分析了桩体和土体特性以及堆载对桩侧负摩阻力的影响.在室内模型试验方面,杨庆等通过单桩静载荷试验分析了含水率和堆载等级对中性点位置的影响;马学宁等通过模型试验分析了桩载和堆载施加顺序对负摩阻力的影响.随着科技的进步,数值模拟在土木工程领域得到了广泛的应用,夏力农等通过P l a x i s软件分析了桩体弹性模量对负摩阻力的影响,研究结果表明弹性模量对桩侧摩阻力的影响存在一个临界值,当弹性模量小于该值时,弹性模量越大,中性点位置距离桩顶越远;C h i o u等利用A B AQU S软件建立了桩土相互作用模型,分析了桩顶荷载对端承桩负摩阻力发展产生的影响;Z n a m e n s k i等利用A B AQU S软件得到了地下水位的降低对桩侧负摩阻力和桩身轴力分布的影响;Z n a m e n s k i i等利用A B AQU S软件对不同长度的桩进行对比,研究了桩长对中性点位置及桩身轴力的影响;叶观宝等针对大面积填土场地建立了有限元模型,分析了填土重度和厚度对摩擦桩的影响,并证明场地形成因素对桩侧负摩阻力的影响更加明显.在实际工程中,桩基础会受到桩顶荷载和地面堆载的共同作用,因此通过有限元软件建立桩土相互作用模型,对比摩擦桩与端承桩受力特点的异同,并分析堆载等级、堆载时间、加载顺序等因素对桩侧负摩阻力的影响.有限元模型数值模型的建立()几何模型利用有限元软件建立桩土相互第 卷第期 年月 甘 肃 科 学 学 报J o u r n a l o fG a n s uS c i e n c e sV o l N o A u g 收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目();河北省自然科学基金(E );国家重点实验室开放基金(S WR );河北省教育厅青年基金资助项目(QN )作者简介:方海正(),男,河北邯郸人,硕士研究生,研究方向为岩土工程.E m a i l:q q c o m作用模型,为了简化计算取二分之一模型,即数值模型长 m,宽 m,高 m,共包含 个单元.桩周及桩端土体采用M o h r C o u l o m b弹塑性模型,土体的物理力学参数见表.桩体采用线弹性模型,直 径 为 m,长 为 m,弹 性 模 量 为 G P a,泊松比为.桩侧、桩端和土体采用面面接触,土和桩体都采用八节点线性六面体单元.数值模型如图所示.表土体的物理力学参数T a b l eP h y s i c a l a n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f s o i l土层弹性模量/MP a泊松比粘聚力/k P a内摩擦角/()厚度/m 注:考虑端承桩的压缩模量为土层的压缩模量的 倍.图数值模型F i g N u m e r i c a lm o d e l()定义分析步为了使分析结果符合实际情况,首先要进行地应力平衡;接着创建两个类型为“土”的瞬态分析步,第一步模拟堆载的瞬时施加,第二步模拟土体的渗流固结.()边界条件在初始分析步,定义底面和侧面为法向约束,顶面无约束.在瞬时堆载分析步定义土体表面孔隙压力为.模型验证为了验证所建数值模型的可靠性,将数值模拟得到的结果与赵明华等提出的负摩阻力计算结果进行对比.数值模拟计算结果与文献 中的理论计算结果对比曲线见图.由图可以看出模拟曲线与理论计算曲线基本吻合,证明了桩土相互作用模型的可靠性.存在误差的原因主要是桩周土反力系数根据经验取平均值,导致桩顶处的负摩阻力和桩身轴力偏大.图桩身轴力数值模拟与理论计算对比F i g C o m p a r i s o nb e t w e e nn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o no fa x i a l f o r c e堆载 k P a、桩顶荷载 k N时桩侧摩阻力分布和桩、土沉降对比情况分别见图和图.图桩侧摩阻力分布F i g D i s t r i b u t i o no f s i d e f r i c t i o no np i l e图桩体沉降与土体沉降对比F i g C o m p a r i s o no fp i l ea n ds o i l s e t t l e m e n t第 卷方海正等:堆载条件下基桩负摩阻力的有限元分析由图可知,最大负摩阻力值为 k P a,深度为m,得出负摩阻力对基桩承载力的影响非常明显.由图可知,在桩顶处土体沉降为 mm,桩体沉降为 mm;桩端处土体沉降为 mm,桩体沉降为 mm.在中性点位置以上,因为桩体压缩小于土体沉降,所以桩周土产生相对于桩体向下的运动,桩侧受到负摩阻力,导致桩身轴力增加.而在负摩阻力的作用下桩体压缩也会增大,减小了桩土相对位移,所以负摩阻力在某一深度达到最大值后会逐渐减小.当负摩阻力为零时,土体沉降等于桩体沉降,桩身轴力达到最大值,该点即为中性点.在中性点位置以下,桩体压缩大于土体沉降,桩周土相对于桩体向上运动,桩侧正摩阻力、桩身轴力反而会减小.数值模拟结果分析端承桩与摩擦桩不同持力层压缩模量下桩身轴力的分布情况如图所示.图不同持力层压缩模量下桩身轴力分布F i g D i s t r i b u t i o no fa x i a l f o r c eu n d e rd i f f e r e n tc o m p r e s s i o nm o d u l u so fb e a r i n g l a y e r由图可以看出,随着持力层压缩模量增大,桩身轴力在基桩上部的发展趋势基本相同,而在基桩下部桩身轴力逐渐增加,中性点位置下移.摩擦桩和端承桩的桩侧摩阻力分布相似,在中性点位置以上因为土体沉降大于桩体压缩,桩侧受到负摩阻力导致桩身轴力增大;而在中性点位置以下,桩侧受到正摩阻力,桩身轴力也随之减小.由于端承桩的持力层压缩模量大,桩端基本不发生沉降,桩体位移主要依靠桩身压缩,造成桩土相对位移增加,桩身轴力增大.堆载等级不同堆载等级下摩擦桩和端承桩桩身轴力的分布情况分别见图和图.图不同地面堆载作用下桩身轴力分布(摩擦桩)F i g P i l ea x i a l f o r c ed i s t r i b u t i o na l o n g t h e s i n g l ep i l ef o rv a r i o u s s u r f a c e l o a d s(f r i c t i o np i l e)图不同地面堆载作用下桩身轴力分布(端承桩)F i g P i l ea x i a l f o r c ed i s t r i b u t i o na l o n g t h e s i n g l ep i l ef o rv a r i o u s s u r f a c e l o a d s(e n d b e a r i n gp i l e)由图可知,随着堆载等级的增大,摩擦桩的中性点位置下移,由q k P a时的 m下降到q k P a时的 m;最大桩身轴力值增加,由q k P a时的 k N增加到q k P a时的 k N.而在桩端附近,堆载等级大的桩身轴力反而更小,这是因为随着堆载等级的增大,土体位移增大,在桩端处正摩阻力增长,桩身轴力减小的反而更快.由于堆载等级增大,土体沉降量增加,最大甘 肃 科 学 学 报 年第期桩身轴力值的增长幅度也逐渐增大,由最开始的 k N变为 k N.中性点位置的下移同时也意味着负摩阻力的分布范围向桩端延伸,由此可知,负摩阻力是自上而下逐步发展的,与桩土相对位移有关.因为很小的堆载就会引起负摩阻力的出现,所以在实际工程中,不能忽视堆载对桩身承载力的影响.由图可知,端承桩随着堆载等级的增加,中性点位置不变,最大桩身轴力值增加,由q k P a时的 k N增加到q k P a时的 k N.而在没有桩顶荷载作用时,桩体位移趋近于零,沿桩长范围内土体沉降大于桩体压缩,所以在桩侧全部分布为负摩阻力,桩身轴力自桩顶向下非线性增加,负摩阻力全部由桩端反力来承担,符合端承桩应该表现的特性,同时,桩顶荷载可以在一定程度上减小负摩阻力带来的影响.堆载时间负摩阻力与桩土相对位移紧密相关,由于土体渗透系数小,沉降不会立即完成,所以负摩阻力的发展需要经历一个缓慢的过程,即负摩阻力的时间效应.当时间因子Tv 时,设渗透系数k m/s,压 缩 模 量Es MP a,水 的 重 度w k N/m,土层厚度H m.根据时间因子求解公式Tvk EswHt,()可以求得当t s时,固结基本完成.不同堆载时间下桩身轴力和孔隙压力的分布情况分别见图和图.图不同堆载时间下桩身轴力分布(摩擦桩)F i g P i l ea x i a l f o r c ed i s t r i b u t i o na l o n g t h e s i n g l ep i l ef o rv a r i o u s l o a d i n g t i m e(f r i c t i o np i l e)图不同堆载时间下孔隙压力分布(摩擦桩)F i g P o r ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o na l o n g t h e s o i l f o rv a r i o u sl o a d i n g t i m e(f r i c t i o np i l e)由图可知,随着堆载时间的增加,中性点位置下移,由t s时的m下降到t s时的 m;最 大 桩 身 轴 力 值 增 加,由t s时 的 k N上升到t s时的 k N.由于堆载时间增长,土体固结度增加,桩土相对位移的增长幅度放缓,将t s与t s进行对比发现中性点位置已经不再下移,桩身轴力同样不再明显增长,证明了当t s时土体固结基本完成.图不同时刻孔隙压力沿深度分布的情况与太沙基一维固结理论相吻合.由于假设模型底部不排水,所以土体顶部孔压消散较快,而底部孔压基本不消散,土体中的孔隙水会形成沿竖直向上一个方向的渗流,并且土体只沿该方向压缩,称为单向固结.而土体渗流固结的本质就是土中孔隙水压力逐渐转化为有效应力的过程.加载顺序不同加载顺序下桩身轴力的分布情况见图.图 中工况为同时加载,工况为先地面堆载后桩顶加载,工况为先桩顶加载后地面堆载.由图 可知工况所受的桩身轴力比工况大很多,中性点位置的桩身轴力增大了,并且工况的中性点位置也最深,为 m,工况所受的桩身轴力介于二者之间.因为工况先进行地面堆载,土体会率先完成固结沉降,在这期间负摩阻力会使桩体产生一定的下沉,紧接着桩载使桩体沉降大于土体沉降,原来的负摩阻力变成正摩阻力抵消了一部分上部荷载,导致工况的桩身轴力最小.而工况正相反,先桩载使桩体沉降产生正摩阻力,而后进行的堆载增大了土体沉降,基桩上部的正摩阻力变为负摩阻力,使桩身承载力增加.由此可见,相同的加载等级在不同的堆载顺序影响下,负摩阻力也第 卷方海正等:堆载条件下基桩负摩阻力的有限元分析有不同的发展规律,这对桩基施工顺序的研究也有一定的实际应用价值.图 不同加载顺序下桩身轴力分布(摩擦桩)F i g P i l ea x i a l f o r c ed i s t r i b u t i o na l o n g t h e s i n g l ep i l ef o rd i f f e r e n t l o a d i n gs e q u e n c e s(f r i c t i o np i l e)结论通过有限元软件建立桩土相互作用模型,与解析解进行对比证明了该模型的合理性,同时利用该模型进行分析得到以下结论:()摩擦桩随着堆载等级的增大,桩身轴力增加,中性点位置下移,由于桩侧摩阻力的作用,桩身轴力先增大后减小处于动态的平衡中.从中性点位置的变化过程可知,负摩阻力是从桩顶自上而下发展的.()端承桩的负摩阻力分布与摩擦桩相似,但桩身轴力更大,中性点位置更靠近桩端;而端承桩随着堆载等级的增大,桩身轴力增加,中性点位置不变;在没有桩顶荷载时,整个桩身均分布负摩阻力,桩身轴力沿桩长逐渐增大,证明桩顶荷载可以减轻负摩阻力带来的影响.()随着堆载时间的增加,桩身轴力增大,中性点位置下移.因为土体的固结沉降不是立刻完成的,所以负摩阻力的发展需要时间的积累,随着土体固结度的增大,负摩阻力的增长幅度也在逐渐减小,当土体固结基本完成时,桩身轴力已经不再增加,中性点也稳定在一个位置.()在相同的地面堆载和桩顶荷载作用下,不同的施工顺序对桩身轴力具有很大的影响,在先堆载再进行桩载的工况下,桩身轴力最小;在先桩载后堆载的工况下,桩身轴力最大.先进行堆载,土体率先完成沉降,桩身受到的负摩阻力减小,所以在实际工程中,要考虑施工顺序给桩身承载力带来的影响.参考文献:袁灯平,黄宏伟,马金荣软土地基桩侧表面负摩阻力解析模型J上海交通大学学报,():,杨庆,孔纲强,郑鹏一,等堆载条件下单桩负摩阻力模型试验研究J岩土力学,():马学宁,张沛云,王旭,等考虑堆载和桩载施加顺序的单桩负摩阻力模型试验研究J岩土工程学报,(增刊):夏力农,印长俊,苗云东,等堆载作用下桩体弹性模量对负摩阻力性状的影响J岩土力学,(增刊):C h i o uJS,W e iW T N u m e r i c a l I n v e s t i g a t i o no fP i l e h e a dL o a dE f f e c t so nt h eN e g a t i v eS k i nF r i c t i o nD e v e l o p m e n to faS i n g l eP i l e i nC o n s o l i d a t i n gG r o u n dJ A c t aG e o t e c h n i c a,():Z n a m e n s k iV l a d i m i r,H e g a z yO s a m a,S a y e dD i a a e l d i n,e t a lI n f l u e n c eo fL o w e r i n gG r o u n d w a t e rL e v e l o n t h eB e h a v i o r o fP i l ei nS o f tS o i lJI O PC o n f e r e n c eS e r i e s:M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,():Z n a m e n s k i iV V,H e g a z yO M AC o m p a r a t i v eS t u d yo fO r d i n a r yP i l e s a n dS u p e r l o n gP i l e s i nC o n s o l i d a t i n gS o i lJJ o u r n a lo fP h y s i c s:C o n f e r e n c eS e r i e s,():叶观宝,郑文强,张振大面积填土场地中摩擦型桩负摩阻力分布特性研究J岩土力学,(增刊):赵明华,邬龙刚,贺炜基桩负摩阻力的时效分析J湖南科技大学学报(自然科学版),():甘 肃 科 学 学 报 年第期F i n i t eE l e m e n tA n a l y s i so fN e g a t i v eF r i c t i o n a lR e s i s t a n c ef o rP i l eu n d e rS u r f a c eL o a dF ANG H a i z h e n g,L ID o n g p i n g,(C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n g,H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g,H a n d a n ,C h i n a;R e s e a r c hC e n t e r f o rC o mp u t a t i o n a lM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n gA p p l i c a t i o n s,H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g,H a n d a n ,C h i n a)A b s t r a c t T h ep u r p o s eo f t h i sp a p e r i s t os t u d y t h e i n f l u e n c eo f s u r f a c e l o a do nn e g a t i v e f r i c t i o no f f o u n d a t i o np i l e T h ep i l e s o i l i n t e r a c t i o nm o d e lw a s e s t a b l i s h e db y f i n i t ee l e m e n t s o f t w a r e f o r a n a l y s i s T h e r e s u l t ss h o wt h a t a n i n c r e a s e da x i a l f o r c e i s a s s o c i a t e dw i t ha n i n c r e a s e i nc o m p r e s s i v em o d u l u so f s u p p o r t i n g l a y e r,a n dt h en e u t r a l p o i n t p o s i t i o n i s c l o s e r t os t a k e e n d,b u t t h ed i s t r i b u t i o no f n e g a t i v e f r i c t i o no f p i l e i s t h es a m e I n f l u e n c e so f s u r f a c e l o a da n ds t a c k i n gt i m eo nn e g a t i v ef r i c t i o na n dn e u t r a lp o i n tp o s i t i o na r ea n a l y s e d T h ea x i a l f o r c eo f p i l eb o d y i n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo f s u r f a c e l o a dg r a d e,n e u t r a l p o i n t p o s i t i o no fe n db e a r i n gp i l ed o e sn o t c h a n g ew h i l et h a to f f r i c t i o np i l em o v e sd o w n I t i sa l s ol i n k e dt oar e d u c t i o no fl o a do np o r ep r e s s u r ea n d i n c r e a s e i nl o a d i n gt i m e T h ec o n s t r u c t i o ns e q u e n c ea l s oh a sag r e a t i n f l u e n c eo nn e g a t i v e f r i c t i o nr e s i s t a n c e,T h en e g a t i v ef r i c t i o nc a u s e db yh e a pl o a d i n gb e f o r ep i l eh e a dl o a d i n gi st h es m a l l e s t a n dt h en e u t r a l p o i n t i s t h es h a l l o w e s t,w h e r e a s t h en e g a t i v e f r i c t i o n i s t h e l a r g e s t a n dt h en e u t r a lp o i n t i s t h ed e e p e s t K e yw o r d s N e g a t i v e f r i c t i o n a l r e s i s t a n c e;S u r f a c e l o a d;A x i a l f o r c e;N e u t r a l p o i n t;L o a d i n gs e q u e n c e(本文责编:葛文)(上接第 页)c o n n e c t i o nm o d u l ea n dt h ec l a s s i cU N e tm o d e l a r ec o m b i n e dt of o r ma n i m p r o v e dU N e tm o d e l T h e i m p r o v e dU N e tm o d e l i s a p p l i e d t o t h e s e g m e n t a t i o no f i m a g e s f o r t w ok i n d so f d i f f e r e n t c o r e f o u n d i n gs l i c e si nt h es t u d ya r e a i n c l u d i n g l a r g e c o r e c o a r s e t h r o a t a n ds m a l l h o l e f i n e t h r o a t,a n d t h eg o o dr e s u l t s a r eo b t a i n e d C o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lO S TU m e t h o d,t h ei m a g es e g m e n t a t i o no ft h ei m p r o v e dU N e tm o d e l f o rc o r e f o u n d i n gs l i c e i sm o r e r e f i n e d I nc o n t r a s tw i t ht h ec l a s s i cU N e tm o d e l,t h em I o Ua n dP Ao b t a i n e db y t h e s e g m e n t a t i o no f t h e i m p r o v e dU N e tm o d e l f o r c o r e f o u n d i n gs l i c e i m a g e s i n c r e a s eb ya n d,r e s p e c t i v e l y I t i ss a f e l ys a i dt h a tt h ei m p r o v e dU N e tm o d e lc a nm o r ee f f e c t i v e l yr e a l i z et h es e g m e n t a t i o no f c o r e f o u n d i n gs l i c e i m a g e sa n dp r o v i d e i m p o r t a n t t e c h n i c a l s u p p o r t f o rt h eg e o l o g i c a l r e s e a r c h e r so fo i l f i e l d sc o m p a r e dw i t ht h eO S TU m e t h o da n dt h ec l a s s i cU N e tm o d e l K e yw o r d s U N e t;C o r e f o u n d i n gs l i c e i m a g e;S e g m e n t a t i o n;P o r es t r u c t u r e(本文责编:冯婷)第 卷方海正等:堆载条件下基桩负摩阻力的有限元分析