張 琦，李坤軒，王俊林

（1.河南省水利科學(xué)研究院，河南 鄭州，450003；2.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州，450001）

0 引言

大直徑擴(kuò)底樁具有承載力高、質(zhì)量易控制、變形小、經(jīng)濟(jì)節(jié)省等優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑、公路和鐵道橋梁以及城市高架路等荷載較大工程中常作為基礎(chǔ)工程方案的首選［1］.對于同一試樁結(jié)果，以不同的極限承載力判斷標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)出現(xiàn)較大的差別［2］；參數(shù)和條件相同的大直徑樁，按各國規(guī)范的建議方法計(jì)算出的承載力值也可能會(huì)相差很多［3］.目前，承載力只有通過現(xiàn)場載荷試驗(yàn)才能確定，但是試樁不僅耗時(shí)費(fèi)力，費(fèi)用較高，而且要考慮土質(zhì)變化和試樁尺寸等因素，樁群的試驗(yàn)更為困難，僅僅靠試驗(yàn)來確定其承載力，既達(dá)不到目的，經(jīng)濟(jì)效果又不理想.因此，有必要建立合理的力學(xué)和計(jì)算模型，綜合考慮樁土作用的復(fù)雜因素，采用數(shù)值模擬手段對單樁承載力進(jìn)行研究，從而確定樁的承載力，以滿足工程實(shí)際的需要.同時(shí)，采用有限元方法可以很容易的研究不同條件下大直徑擴(kuò)底樁的工作機(jī)理.李美生等［4］運(yùn)用ANSYS軟件研究分析了大直徑擴(kuò)底樁承載力影響因素，探討了不同變化因素對豎向承載力的影響.李海林等［5］建立樁土共同作用模型，研究了樁土作用體系中力學(xué)傳遞機(jī)理.王先軍等［6］建立了樁土接觸面體系的有限元模型，結(jié)合大型工程實(shí)例，分析了樁土模型的荷載－沉降曲線以及荷載的傳遞規(guī)律，揭示了樁土作用的實(shí)質(zhì)，并提出了能夠解決ANSYS模擬樁土問題的合理思路.王月梅等［7］運(yùn)用ANSYS分析不同參數(shù)對樁基礎(chǔ)承載變形特性的影響，通過深入分析，發(fā)現(xiàn)了一些對工程實(shí)踐有用的結(jié)論.

1 樁－土體系模型

1.1 現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)

選取鶴壁市體育館工程試驗(yàn)樁為研究對象，試樁采用人工挖孔大直徑灌注擴(kuò)底樁，樁長為9 m，樁徑為1 200 mm.各層土參數(shù)如表1所示，樁尺寸及土層分布情況如圖1所示.

圖1 土層分布情況Fig.1 Distribution of soil str ata

表1 土層參數(shù)表Tab.1 Property of clay in model

現(xiàn)場試驗(yàn)照片如圖2所示.

圖2 現(xiàn)場試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.2 Picture of field test

1.2 模型的建立過程和驗(yàn)證

作者運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS，考慮對稱性，取1／4樁模型進(jìn)行數(shù)值模擬.取樁周橫向8倍樁徑，縱向3倍樁長作為計(jì)算區(qū)域（見圖3），在該區(qū)域的底部和外側(cè)的結(jié)點(diǎn)位移為零.樁身彈性模量是2.5×104MPa，μ＝0.2.

圖3 ANSYS模型Fig.3 ANSYS model

樁身和土體都采用六面體8節(jié)點(diǎn)單元SOLID45號實(shí)體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有X、Y、Z三個(gè)方向的自由度.具有塑形、膨脹、潛變、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變的能力，樁的本構(gòu)模型為線彈性，土體的本構(gòu)模型為D—P材料.在進(jìn)行面面接觸分析時(shí)，樁上的面為剛性目標(biāo)面，采用Tar ge170單元，目標(biāo)面對應(yīng)的土體表面為接觸面，采用CONTA173單元.

將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比分析［8］，繪成Q－s曲線見圖4.由對比可以得到，在達(dá)到臨界荷載之前，有限元計(jì)算值與實(shí)測值的吻合情況較好，誤差能夠滿足工程要求，所以計(jì)算模型是可行的.

圖4 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.4 Comparison bet ween simulated and test results

2 影響因素分析

2.1 擴(kuò)底直徑對承載力的影響

分別取擴(kuò)底直徑D＝1.2，1.5，1.8，2.1，2.4，3.0和3.6 m進(jìn)行模擬，即D／d＝1.0，1.25，1.5，1.75，2.0，2.5，3.0，樁的基本參數(shù)取1.1現(xiàn)場試驗(yàn)中樁的參數(shù)，假定樁周土與樁端土為相同土體，c＝10 k Pa，φ＝35°，彈性模量E＝50 MPa，膨脹角φf＝20°，μ＝0.3.計(jì)算結(jié)果見圖5.

圖5 不同擴(kuò)底直徑樁的Q－s曲線Fig.5 The Q－s curves of different diameter of belled piles

取樁頂沉降為20 mm時(shí)對應(yīng)的荷載Q為樁的豎向承載力，見圖6.

圖6 不同擴(kuò)底直徑樁的豎向承載力Fig.6 Vertical bearing capacity of pile with different belled diameters

從圖6中可以看到，大直徑擴(kuò)底樁的豎向承載力隨著擴(kuò)底直徑D的增大明顯提高，當(dāng)D／d大于2時(shí)，承載力的增長幅度開始變緩.從施工效率角度來說，D／d應(yīng)該存在一個(gè)合適的范圍.當(dāng)D／d＝1.0時(shí)，為一般大直徑樁，其豎向承載力明顯小于大直徑擴(kuò)底樁的豎向承載力.

2.2 擴(kuò)底高度對承載力的影響

取擴(kuò)底高度分別為h＝0.6，1.2，1.8，2.4，3.0和3.6 m 進(jìn)行模擬，即h／d＝0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0.樁的基本參數(shù)取1.1現(xiàn)場試驗(yàn)中樁的參數(shù)，假定樁周土與樁端土為相同土體，c＝10 k Pa，φ＝35°，彈性模量E＝50 MPa，膨脹角φf＝20°，μ＝0.3.取Q－s曲線上沉降s＝20 mm時(shí)對應(yīng)的Q繪于圖7.

圖7 不同擴(kuò)底高度樁的豎向承載力Fig.7 Vertical bearing capacity of pile with different belled heights

從圖7中可以看到，隨著擴(kuò)底高度的增大，大直徑擴(kuò)底樁的豎向承載力提高，但是增長幅度比較緩和.

從圖6和圖7中能夠得出，增大擴(kuò)底直徑和擴(kuò)底高度都能夠提高大直徑擴(kuò)底樁的豎向承載力；但從施工方法以及經(jīng)濟(jì)節(jié)約的角度來考慮，應(yīng)優(yōu)先選取增大擴(kuò)底直徑的方法，以提高大直徑擴(kuò)底樁的豎向承載力.綜上所述，擴(kuò)底部分?jǐn)U底高度與擴(kuò)底直徑的比值適宜在0.5～0.7之間選取.

2.3 樁長對承載力的影響

取樁長H＝9，15，21，27和36 m進(jìn)行模擬，即 H／d＝7.5，12.5，17.5，22.5，27.5.樁的基本參數(shù)取1.1現(xiàn)場試驗(yàn)中樁的參數(shù)，假定樁周土與樁端土為相同土體，c＝10 k Pa，φ＝35°，彈性模量E＝50 MPa，膨脹角φf＝20°，μ＝0.3.取Q－s曲線上沉降s＝20 mm時(shí)對應(yīng)的Q繪于圖8.

圖8 不同樁長樁的豎向承載力Fig.8 Vertical bearing capacity of pile with different lengths

從圖8中可以看到，樁長增加時(shí)，大直徑擴(kuò)底樁的豎向承載力明顯提高.豎向承載力的提高主要來自于樁側(cè)摩阻力的增加.樁長較小時(shí)，樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限狀態(tài)，荷載主要由樁端承擔(dān)；而當(dāng)樁長增加到一定程度時(shí)，樁周面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樁端面積，大部分荷載由樁身承擔(dān)，到達(dá)樁端的荷載很小很小，此時(shí)樁的擴(kuò)底作用就顯得不那么明顯，豎向承載力的增長幅度就變得緩慢起來.

3 結(jié)論

作者運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對大直徑人工挖孔擴(kuò)底樁豎向承載力影響因素進(jìn)行了模擬計(jì)算分析，得出結(jié)論如下：

（1）運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS對鶴壁市體育館工程試驗(yàn)樁的樁－土作用進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，將分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，證明了此樁－土模型的可行性和準(zhǔn)確性.

（2）大直徑擴(kuò)底樁的豎向承載力隨著擴(kuò)底直徑的增加而提高，當(dāng)D／d大于2時(shí)，承載力的增長幅度開始變緩.

（3）大直徑擴(kuò)底樁的豎向承載力隨著擴(kuò)底高度的增加而提高，但增長幅度比較緩和.綜合考慮，擴(kuò)底部分?jǐn)U底高度與擴(kuò)底直徑的比值適宜在0.5～0.7之間選取.

（4）大直徑擴(kuò)底樁的豎向承載力隨著樁長的增加而明顯提高，當(dāng)樁長增大到一定程度時(shí)，到達(dá)樁端的荷載很小，擴(kuò)底作用顯得不那么明顯，豎向承載力的增長幅度就變得緩慢起來.

［1］ 楊鴻貴，白德容.黃土地區(qū)大直徑灌注樁的受力性能分析 ［J］.巖土工程師，1992，4（4）：16－25.

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［5］ 李海林.樁－土相互作用的數(shù)值模擬分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院，2006.

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［8］ 王俊林，王復(fù)明，任連偉，等.大直徑擴(kuò)底樁單樁水平靜載試驗(yàn)與數(shù)值模擬［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32（9）：1406－1411.