陸志杰 張 平

(河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 保定 071000)

單樁靜載實(shí)驗(yàn)的有限元模擬分析

陸志杰 張 平

(河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 保定 071000)

基于某工程鉆孔灌注樁的靜載實(shí)驗(yàn)資料，運(yùn)用有限元分析軟件Plaxis對(duì)單樁的加載實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，通過運(yùn)用Hardening-Soiling和Mohr-Coulomb兩種土體模型進(jìn)行模擬，并最終得出了理想的結(jié)果，從而論證了Plaxis有限元軟件模擬分析的可行性和實(shí)用性。

Plaxis，灌注樁，數(shù)值模擬，荷載沉降曲線

0 引言

近年來，我國(guó)持續(xù)進(jìn)行大規(guī)模的工程建設(shè)，在此過程中，遇到了大量的復(fù)雜巖土工程問題，對(duì)于這些問題，僅依靠規(guī)范建議的簡(jiǎn)化分析方法是不夠的，需要采用有限元方法進(jìn)行更精確的分析。Plaxis 巖土工程有限元分析軟件是用于解決巖土工程的變形、穩(wěn)定性及地下水滲流等問題的通用有限元軟件，它計(jì)算功能強(qiáng)大、運(yùn)算穩(wěn)定、界面友好，能夠解決很多的巖土工程問題。目前已經(jīng)成為世界上流行的巖土工程有限元軟件。本文以具體工程中的某單樁靜載實(shí)驗(yàn)中的單樁沉降量為研究對(duì)象，采用了Hardening-Soiling和Mohr-Coulomb兩種不同的模型，對(duì)土體、單樁、豎向荷載進(jìn)行了模擬，得出了計(jì)算結(jié)果，通過與具體的工程實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比，論證了Plaxis有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的可行性與實(shí)用性。

1 工程地質(zhì)概況

本工程位于河北省唐山市海港開發(fā)區(qū)港盛街北側(cè)，海平路東側(cè)，工程名稱為鴻福小區(qū)住宅樓項(xiàng)目，主體結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用φ400 mm,有效樁長(zhǎng)為15.5 m的灌注樁樁型，擬建場(chǎng)地地形平坦，無較大高差。根據(jù)唐山博匯工程技術(shù)有限公司提供的《鴻福小區(qū)北區(qū)巖土工程勘察報(bào)告》，本次勘察揭露40.00 m深度范圍內(nèi)根據(jù)其巖性及物理力學(xué)性質(zhì)劃分為以下9個(gè)工程地質(zhì)層，其中①層填土為第四紀(jì)人工堆積成因，②層粉砂及以下土層為第四紀(jì)沖洪積成因。簡(jiǎn)述如下：

①填土：褐黃色，松散，稍濕，以粉細(xì)砂為主，含貝殼碎屑。場(chǎng)區(qū)普遍分布，層厚：1.00 m～4.00 m，平均2.16 m；層底埋深：1.00 m～4.00 m，平均2.16 m。②粉砂：褐黃色，松散～稍密，濕～飽和，以長(zhǎng)石、石英為主，含云母、粘粒，磨圓度中等，分選均勻，級(jí)配差。場(chǎng)區(qū)普遍分布，層厚：1.40 m～5.20 m，平均3.15 m；層底埋深：4.10 m～7.40 m，平均5.31 m。③粉砂：灰色，稍密，飽和，以長(zhǎng)石、石英為主，含云母，磨圓度中等，分選均勻，級(jí)配差，土質(zhì)均勻。場(chǎng)區(qū)普遍分布，層厚：1.10 m～6.20 m，平均4.83 m；層底埋深：6.10 m～11.50 m，平均10.14 m。④粉質(zhì)粘土：灰色，可塑，切面稍有光澤，干強(qiáng)度及韌性中等，無搖震反應(yīng)，中壓縮土。場(chǎng)區(qū)普遍分布，層厚：0.50 m～5.10 m，平均1.58 m；層底埋深：10.30 m～13.10 m，平均11.72 m。⑤細(xì)砂：灰色，中密，飽和，以長(zhǎng)石、石英為主，含云母，磨圓度中等，分選均勻，級(jí)配差，土質(zhì)均勻。場(chǎng)區(qū)普遍分布，層厚：0.70 m～3.70 m，平均2.16 m；層底埋深12.10 m～14.90 m，平均13.88 m。⑥粉質(zhì)粘土：灰色，可塑，切面稍有光澤，干強(qiáng)度及韌性中等，無搖震反應(yīng)，土質(zhì)均勻，中壓縮土。場(chǎng)區(qū)普遍分布，層厚：0.60 m～3.30 m，平均1.90 m；層底埋深14.80 m～16.90 m，平均15.78 m。⑦細(xì)砂：灰色，中密～密實(shí)，飽和，以長(zhǎng)石、石英為主，磨圓度中等，分選均勻，級(jí)配差，含云母。場(chǎng)區(qū)普遍分布，層厚：0.50 m～3.70 m，平均2.37 m；層底埋深16.80 m～19.00 m，平均18.15 m。⑧粉土：淺灰色，稍密，濕～飽和，切面粗糙，干強(qiáng)度及韌性中等，搖震反應(yīng)中等，土質(zhì)均勻，中壓縮土。場(chǎng)區(qū)普遍分布，層厚：2.80 m～5.40 m，平均4.00 m；層底埋深21.20 m～23.50 m，平均22.14 m。⑨細(xì)砂：褐黃色～灰色，密實(shí)，飽和，以長(zhǎng)石、石英為主，磨圓度中等，分選均勻，級(jí)配差，場(chǎng)區(qū)普遍分布。各層土的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 唐山市海港開發(fā)區(qū)鴻福小區(qū)住宅樓工程土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

本工程樁靜載荷試驗(yàn)共進(jìn)行3根，本文取其中一根樁101井樁進(jìn)行分析靜載試驗(yàn)采取慢速維持荷載法，共分10級(jí)加荷，每級(jí)荷載100 kN，第一級(jí)加載值為分級(jí)荷載的2倍，按規(guī)范規(guī)定或有關(guān)方要求進(jìn)行，本次試驗(yàn)最大加載至1 000 kN即終止加荷。

2 有限元分析模型和結(jié)果

2.1 模型的建立

本文采用有限元軟件Plaxis對(duì)樁基豎向承載性能進(jìn)行模擬分析，有限元模型采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行計(jì)算，具體土體劃分與網(wǎng)格劃分如圖1和圖2所示，計(jì)算中，樁體采用板單元進(jìn)行模擬，模型采用線彈性模型，土體采用M-C和H-S兩種模型進(jìn)行對(duì)比分析，樁土界面單元引入界面單元接觸面系數(shù)進(jìn)行模擬，變形后的網(wǎng)格和有效應(yīng)力如圖3和圖4所示。

2.2 對(duì)101井樁的模擬分析情況

101井樁的單樁承載力特征值為500 kN,在工程實(shí)際中，加載到極限荷載1 000 kN時(shí)，樁的最大沉降位移為9.92 mm,運(yùn)用Plaxis有限元軟件對(duì)單樁靜載過程進(jìn)行分析，當(dāng)土體采用Mohr-Coulomb模型時(shí)，得到樁的最大沉降位移為13.4 mm，而采用Hardening-Soiling模型時(shí)得到的最大沉降位移為11.3 mm, 更接近于真實(shí)的沉降位移，不僅如此，當(dāng)土體采用Hardening-Soiling模型時(shí)，每級(jí)荷載下的沉降位移誤差都要比采用Mohr-Coulomb模型時(shí)小，說明Hardening-Soiling模型在分析單樁沉降位移時(shí)比Mohr-Coulomb模型更具精確性。具體荷載位移曲線和誤差對(duì)比見圖5～

圖7和表2。

表2 各級(jí)荷載下的數(shù)據(jù)詳細(xì)對(duì)比

3 結(jié)語

本文通過對(duì)單樁靜載實(shí)驗(yàn)的全程進(jìn)行數(shù)值模擬，取得了較好的模擬結(jié)果，在Plaxis軟件中應(yīng)用不同的土體本構(gòu)模型分析板樁結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)，H-S模型能更真實(shí)的模擬土體的非線性狀態(tài)，更接近于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此，在用Plaxis 進(jìn)行單樁靜載試驗(yàn)?zāi)M時(shí)，建議采用H-S模型，另外，關(guān)于數(shù)值模擬分析的誤差情況，一部分和計(jì)算所采用的參數(shù)有關(guān)，另外也和計(jì)算所采用的理論有關(guān)，Plaxis是采用有限元方法進(jìn)行計(jì)算的，其理論基礎(chǔ)是建立在連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)上，即網(wǎng)格之間不能有空隙，節(jié)點(diǎn)不可能脫離，而實(shí)際工程中的土體嚴(yán)格來說并不是連續(xù)體，而是介于彈性和塑性之間的物質(zhì)，而且網(wǎng)格的劃分也有不合理的地方，所以誤差是肯定會(huì)存在的，但從結(jié)果來看，采用Plaxis有限元軟件模擬分析單樁靜載實(shí)驗(yàn)過程是可行的。

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Finite element simulation analysis of single piple load test

Lu Zhijie Zhang Ping

(CollegeofBuildingEngineering,HebeiUniversity,Baoding071000,China)

Based on the static load test data of a project, the load test curve of single pile is calculated by using finite element analysis software Plaxis. The simulation results are obtained by using Hardening-Soiling and Mohr-Coulomb two models, and the feasibility and practicability of Plaxis finite element software simulation are demonstrated.

Plaxis, perfusion pile, numerical simulation, load settlement curve

2015-08-18

陸志杰(1990- )，男，在讀碩士； 張 平(1990- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)33-0064-02

TU473.1

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