复合桩基础承载力分配的有限元分析

复合桩基础承载力分配的有限元分析

1承台效应与桩-土-承台复合作用的关系堆栈是最广泛使用的基本形式之一。由于岩土材料的复杂性,目前对于桩-土-承台共同作用机理等方面问题的研究少见。《建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)》建议在进行桩基础设计时,应结合地区经验考虑桩、土、承台的共同作用;《建筑桩基技术规范(JGJ94-2008)》认为符合“上部结构整体刚度较好”、“对差异沉降适应性较强的排架结构和柔性结构”等4个条件之一的摩擦型桩基,可以考虑承台效应,并明确了计算承台效应系数ηc的方法,它与桩基础的距径比Sa/d、承台宽与基桩长比Bc/l有关。当前设计中对承台底地基土的考虑是偏保守的,有时候甚至不考虑。对此,国内一些学者采用模型试验和数值计算等手段该问题做了一些研究,指出考虑桩-土-承台共同作用对优化设计方案甚至桩基础本身稳定的重要性。但是,这些研究主要集中在桩基本身构造(如桩距sa、桩径d、桩长l,以及承台宽Bc等)对承台底土抗力发挥的影响,对于外在因素如承台底土的强度、荷载的大小考虑则很少。文献都将承台底土的强度作为是否考虑承台效应的条件,因此分析这两者与桩-土-承台承载力特性的关系显然是有必要的。本文以工程中一混凝土灌注桩基础为背景,基于三维非线性有限元,采用接触模型模拟混凝土与基础的接触面,对复合桩基础承台底地基土强度以及外荷载大小对桩-土-承台共同作用的影响做了一些分析研究,得到了端承型桩和摩擦端承型桩各自的端阻-侧阻-承台抗力与总承载力的比值随这两个因素变化的关系曲线。2计算模型和负载2.1承台面均布荷载p建立桩基础三维有限元模型,如图1所示,每个承台下各布置4根基桩,其中Z1的桩径d1=1.0m,桩长l1=27m,桩距sa1=3.8d1,承台尺寸为6m×10m;Z2的桩径d2=1.2m,桩长l2=17m,桩距sa2=4.5d2,承台尺寸为8m×11m。考虑到建模的简便性同时保证计算结果的可靠性,承台上部结构以面均布荷载P的形式施加到承台上。模型节点总数为13161,单元总数为11168,由8节点六面体单元和6节点五面体单元组成。边界采用简支约束。2.2表1:表4材料分端承型桩和摩擦型桩两种情况考虑,如表1和表2所示。由于要考虑承台底地基土强度对桩-土-承台共同作用的影响,地基土弹性模量取有50MPa、20MPa、10MPa和5MPa4组不同数值。2.3外荷载大小对桩-土-承台共同作用的影响计算考虑的荷载包括地应力(等效于无外力作用时的山体自重应力)、自重荷载以及承台上部结构作用在承台上的荷载。其中,作用在承台上的荷载从0.1MPa逐步递增至0.6MPa,如表3所示,以分析外荷载大小对桩-土-承台共同作用的影响。为保证所得结论正确的同时考虑计算的简便性,本文采用线弹性进行计算。采用接触模型模拟混凝土与地基的接触,混凝土/地基接触面摩擦系数取0.7,不考虑粘聚力。2.4abaqus中的小滑移模型ABAQUS中的接触模型根据对接触关系跟踪方法的不同,可分为小滑移(smallsliding)和有限滑移(finitesliding)两种,它们都可以用于点-面、面-面接触分析。其中小滑移模型假定接触体之间只发生很小的相对滑移(较单元特征尺度小得多),在分析开始时就确定从面节点和主面之间的关系,且在整个分析过程中这些关系维持不变,因此它所需要的计算机资源较有限滑移小的多,本文即采用ABAQUS中的小滑移模型模拟混凝土-基岩的接触。首先在模型中定义主面(mastersurface)和从面(slavesurface),如图2所示。在计算过程中,通过计算从面上节点与主面的穿透值h和相对滑移si,从而判断接触体间的相互关系。如果h<0,则从面上该节点与主面无接触,无须进一步考虑它们的相互作用;如果h≥0,那么主面和从面接触,需要计算法向的接触力和切向的摩擦力。但是,h>0显然是与现实相违背的,因为它意味着从面上的节点穿透侵入了另一方,因此h=0是必须满足的接触约束条件。为此,引入拉格朗日乘子法,把接触力作为拉格朗日乘子,与接触单元的位移场和约束共同建立拉格朗日函数,从而得到位移和接触力场。3结论分析通过计算得到桩端阻力qp、桩侧阻力qs,以及承台抗力qa,分别用qp、qs、qa除以qp+qs+qa,即得到各自的荷载分担比。3.1承台桩与承台端土强度和外荷载的对比对于端承型桩,承台荷载P从0.1MPa变化至0.6MPa时端阻、侧阻、承台占桩基础总承载力的比例的变化范围如图3所示。从图中可以看出,(1)端阻分担了桩基础总承载力的绝大部分,范围在70%～95%以上,侧阻次之,承台承载力所占比例最小,侧阻和承台承载力都在20%以下,这符合《建筑桩基技术规范》只对摩擦型桩基考虑承台效应的观点;(2)端阻力比例随承台底土强度的增大而减小,侧阻受承台底土强度变化的影响很小,承台承载力则随承台底土强度的增大而增大,且增速较快,这与规范认为的当“上部结构整体刚度较好”,则有必要考虑承台效应的建议是一致的。但是,从图中也可以看出,当承台底地基土强度和外荷载都较大时,对端承型桩也有必要考虑承台效应。对于摩擦型桩,同样可以得到端阻、侧阻、承台占桩基础总承载力的比例的变化范围如图4所示。从图中可以看出,(1)端阻所占比例仍然最大,但较之端承型桩已有了很大的降低,范围约在40%～70%之间,侧阻和承台承载力比例约在10%～40%之间,这说明摩擦型桩的承台效应较之端承型桩要明显得多,多数情况下考虑承台效应是有必要的;(2)对摩擦型桩,端阻比例几乎不随地基土弹模的变化而变化,而侧阻随地基土弹模的增大而减小,承台承载力随地基土弹模的增大而增大。当地基土较软时,侧阻承载能力发挥得较为充分,随着地基土强度增大,承台效应逐渐显现出来;(3)图3和图4都显示,端阻所占承载力比例随承台荷载P的增大而减小,且摩擦型桩较端承型桩更明显,而侧阻和承台效应都随承台荷载P的增大而增大。3.2不同外荷载时桩基础承台效应变化仍分端承型桩和摩擦型桩考虑,承台底地基土弹性模量E=20MPa。对端承型桩,如图5所示,(1)随着承台竖向荷载P的加大,端阻力与外荷载之比逐渐减小,承台略有增大,侧阻则逐渐提高。这说明随着外荷载的增大,侧阻力首先得到发挥,但这个过程不会一直持续,当外荷载足够大时,端阻、侧阻与外荷载之比逐渐稳定,端阻力与外荷载比值甚至有可能回升;(2)当外荷载P=0MPa时,受桩周土自重沉降影响,桩基础出现负摩阻力,但随着承台上施加竖向荷载,负摩阻力很快消失。对摩擦型桩,如图6所示,端阻、侧阻以及承台效应变化呈现与端承型桩相似的规律,当外荷载P=0MPa时,桩基础出现负摩阻力。相比端承型桩,摩擦型桩的侧阻力和承台承载力随外荷载的增大而增加得更快,两者的承载能力也发挥得更为充分,相应的端阻所占承载力比例更小。4承台后桩基础承台受力分析从以上分析可以得到以下几条结论:(1)复合桩基础桩-土-承台承载力分配,端承型和摩擦型存在较大不同。端承型桩基础桩端阻力比例大,承台效应不明显,承台承载力比侧阻力还小;相比之下,摩擦型桩基础端阻力要小的多,桩-土-承台共同作用更为明显。(2)端承型桩基础端阻随承台底土强度的增大而减小,侧阻基本保持不变;摩擦型桩基础侧阻随承台底土强度的增大而减小,端阻则保持不变。但两