蘇棟，劉斌，杜志宇，黃天河
（深圳大學(xué)土木工程學(xué)院，深圳518060）
摘 要：以ABAQUS有限元分析軟件作為平臺(tái)，建立了受地面堆載作用下粘土場地的單樁二維有限元模型，研究了場地初始固結(jié)度對(duì)樁基負(fù)摩阻力發(fā)展的影響規(guī)律。分析結(jié)果表明，當(dāng)初始固結(jié)度為0.5時(shí)，樁身最大軸力約為U=0時(shí)的70%，最大負(fù)摩阻力約為U=0時(shí)的67%；當(dāng)初始固結(jié)度為0.95時(shí)，樁身最大軸力約為U=0時(shí)的32%，最大負(fù)摩阻力約為U=0時(shí)的23%；場地初始固結(jié)度對(duì)樁基負(fù)摩阻力的影響實(shí)質(zhì)上是樁-土相對(duì)位移與樁基負(fù)摩阻力之間的關(guān)系，只要有樁-土相對(duì)位移便可產(chǎn)生負(fù)摩阻力，但負(fù)摩阻力的完全激發(fā)需要樁-土相對(duì)位移達(dá)到一定數(shù)值。
關(guān) 鍵 詞：初始固結(jié)度；樁；負(fù)摩阻力；ABAQUS
中圖分類號(hào)：TU 443 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
1 引言
樁基負(fù)摩阻力通常發(fā)生在軟弱地基、濕陷性黃土地區(qū)、新近填土或欠固結(jié)土層中[1-3]。對(duì)于摩擦樁，負(fù)摩阻力使樁基的沉降增加；而對(duì)于端承樁，負(fù)摩阻力使樁身軸力增大和樁端荷載增加，嚴(yán)重的會(huì)造成樁基的破壞[4-5]。
負(fù)摩阻力的出現(xiàn)、發(fā)展和發(fā)揮是樁土相互作用的結(jié)果[6]。對(duì)樁基負(fù)摩阻力采用的分析方法有彈性或彈塑性理論法和有限元數(shù)值模擬法等[7]。這些方法各有優(yōu)劣，但對(duì)于較為復(fù)雜的三維問題，進(jìn)行有限元數(shù)值分析是一種趨勢[8-12]。聶如松[9]等通過數(shù)值模擬研究了負(fù)摩阻力作用下的單樁豎向承載性狀；夏力農(nóng)[10-12]等通過有限元研究了樁頂荷載、樁體材料彈性模量和帶承臺(tái)群樁對(duì)負(fù)摩阻力的影響。
對(duì)于軟土場地，工程中一般采用堆載等方法進(jìn)行處理，但由于技術(shù)等方面的原因，處理質(zhì)量不盡相同。本文利用有限元數(shù)值分析手段，研究了樁基施工前場地初始固結(jié)度對(duì)樁身負(fù)摩阻力發(fā)展的影響規(guī)律。
2 數(shù)值模型的建立
本文主要模擬支承于巖層或堅(jiān)硬土層上的端承樁，樁長L=20 m，直徑D=1 m。樁體密度ρ取2500 kg/m3，彈性模量E為30 GPa。土層為單一正常固結(jié)粘土，其厚度20 m，土體飽和，土體采用修正劍橋（Modified Cam-Clay）模型模擬。土層及模型參數(shù)如表1所示。
表1 土層及模型參數(shù)
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厚度
H (m)
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干密度
ρd(g/cm3)
|
滲透系數(shù)
k (m/d)
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MCC模型參數(shù)
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20
|
1.40
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4.32×10-5
|
e1=2.3,κ=0.033
υ=0.3,λ=0.176,M=0.46
|
在正常固結(jié)的情況下，MCC模型中的土體孔隙比與應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系由下式確定
其中：
e1為初始正常固結(jié)曲線在e軸的截距；
為平均有效正應(yīng)力；q為偏應(yīng)力。由公式（1）可得土層表面初始孔隙比為2.18，土層底部初始孔隙比為1.27。
在分析中，樁體單元采用4節(jié)點(diǎn)雙線性軸對(duì)稱應(yīng)力單元(CAX4R)，土體選用4節(jié)點(diǎn)線性孔壓單元(CAX4P)。在靠近樁體一側(cè)的網(wǎng)格尺寸較小，如圖1所示。樁土之間的接觸采用“硬”接觸模型（hard contact），樁土間動(dòng)摩擦系數(shù)取0.25。
圖1 網(wǎng)格劃分
在土體表面施加50 kPa均布荷載以模擬堆載作用。在荷載作用下，場地沉降達(dá)到預(yù)設(shè)初始固結(jié)度后將激活樁-土接觸。
3 場地初始固結(jié)度的影響
首先通過數(shù)值計(jì)算獲得在50 kPa均布荷載作用下土層表面沉降與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖2所示；取沉降穩(wěn)定時(shí)（第7300天）的沉降為土層的最終沉降，計(jì)算得到土層平均固結(jié)度與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖3所示。分別選取固結(jié)度為0、0.25、0.5、0.75和0.95時(shí)（即第0天、第135天、500天、1500天和3700天）激活樁-土接觸，以研究場地初始固結(jié)度對(duì)樁身負(fù)摩阻力發(fā)展的影響。
圖2 沉降量與時(shí)間關(guān)系曲線
圖3 固結(jié)度與時(shí)間關(guān)系曲線
圖4為初始固結(jié)度為0時(shí)樁-土就開始接觸的分析結(jié)果，其中圖4(a)為樁身軸力隨時(shí)間的變化，圖4(b)為負(fù)摩阻力隨時(shí)間的變化。
(a)樁身軸力曲線
(b)樁身負(fù)摩阻力曲線
圖4 樁身軸力及負(fù)摩阻力隨時(shí)間變化曲線（U=0）
從圖4可以看出，樁身軸力最大值和負(fù)摩阻力最小值出現(xiàn)在樁端部，即樁-土相對(duì)位移為0處。這和理論情況是相吻合的。隨著時(shí)間的發(fā)展，樁身所受的摩阻力也隨之發(fā)展。
(a)樁身軸力曲線
(b)樁身負(fù)摩阻力曲線
圖5 樁身軸力及負(fù)摩阻力隨時(shí)間變化曲線（U=0.5）
(a)樁身軸力曲線
(b)樁身負(fù)摩阻力曲線
圖6 樁身軸力及負(fù)摩阻力隨時(shí)間變化曲線（U=0.95）
圖5和圖6分別為初始固結(jié)度U=0.5和0.95樁身軸力與負(fù)摩阻力隨時(shí)間變化的曲線。比較圖4-6可知，樁身軸力的最大值隨著建立接觸時(shí)固結(jié)度的增大而減小，負(fù)摩阻力最大值的出現(xiàn)位置隨著固結(jié)度的增大而升高，從U=0時(shí)的離樁頂14 m處提升至U=0.95時(shí)的樁頂處。值得注意的是，樁頂?shù)呢?fù)摩阻力值并沒有隨著固結(jié)度的變化而產(chǎn)生很大的改變。這說明負(fù)摩阻力的數(shù)值并不因?yàn)橄鄬?duì)位移的增加而單純?cè)黾?，?dāng)相對(duì)位移增大到一特定值之后，負(fù)摩阻力不再增大。
（a）樁身軸力曲線
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（b）樁身負(fù)摩阻力曲線
圖7 不同初始固結(jié)度在t=10天時(shí)樁身軸力及負(fù)摩阻力曲線
（a）樁身軸力曲線
（b）樁身負(fù)摩阻力曲線
圖8 不同初始固結(jié)度在t=1000天時(shí)樁身軸力及負(fù)摩阻力曲線
（a）樁身軸力曲線
（b）樁身負(fù)摩阻力曲線
圖9 不同初始固結(jié)度在固結(jié)完成時(shí)樁身軸力及負(fù)摩阻力曲線
分別取建立樁-土接觸之后的第10天、第1000天和最終固結(jié)完成時(shí)的樁身軸力和負(fù)摩阻力結(jié)果，以比較得出初始固結(jié)度的影響，如圖7-9所示。從圖7可以看出，當(dāng)樁體和土體建立接觸后第10天時(shí)，初始固結(jié)度U=0時(shí)的樁身軸力和負(fù)摩阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它初始固結(jié)度的樁身軸力與負(fù)摩阻力。結(jié)合圖2（沉降量與時(shí)間關(guān)系曲線）可以發(fā)現(xiàn)U=0在第10天時(shí)的樁土相對(duì)位移（樁的豎向位移可忽略）最大。然后隨著時(shí)間的發(fā)展，直到土體固結(jié)完成時(shí)，各初始固結(jié)度的樁身軸力曲線與負(fù)摩阻力曲線在淺層處均有不同程度的重合，在深處則數(shù)值越來越接近。
圖10 固結(jié)完成時(shí)土體沉降隨深度變化曲線
為解釋不同初始固結(jié)度對(duì)樁身軸力與負(fù)摩阻力發(fā)展的影響規(guī)律，圖9給出了固結(jié)完成時(shí)土體沉降隨深度的變化曲線。由圖9可以看出土體沉降隨深度變化并非線性，淺層土體沉降明顯大于深層土體。而從圖9可以看出，除初始固結(jié)度U=0.95外，其它初始固結(jié)度的樁身軸力隨樁長變化曲線在淺層土部分基本重合，這是由于淺層土體比深層土體沉降更大，更容易達(dá)到使負(fù)摩阻力完全觸發(fā)的沉降值，所以樁體上部由負(fù)摩阻力引起的軸力有部分重合。根據(jù)圖2和圖3可知，當(dāng)初始固結(jié)度為0.95時(shí)，表層土體的沉降值已經(jīng)發(fā)展至-0.253 m，距離最終沉降值-0.268 m不足2 cm。隨著深度增加，下層土的沉降值將更少，所以不足以完全激發(fā)樁身負(fù)摩阻力。
表2為不同初始固結(jié)度下最大軸力與負(fù)摩阻力匯總，可以看出隨著建立接觸時(shí)固結(jié)度的增加，樁身最大軸力與負(fù)摩阻力均明顯減小。當(dāng)初始固結(jié)度為0.5時(shí)，樁身最大軸力約為U=0時(shí)的70%，最大負(fù)摩阻力約為U=0時(shí)的67%；當(dāng)初始固結(jié)度為0.95時(shí)，樁身最大軸力約為U=0時(shí)的32%，最大負(fù)摩阻力約為U=0時(shí)的23%。
表2 各初始固結(jié)度最大軸力和負(fù)摩阻力匯總
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初始固結(jié)度
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0
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0.25
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0.5
|
0.75
|
0.95
|
|
最大軸力值
/kN
|
2178.89
|
1726.41
|
1524.74
|
1270.02
|
709.21
|
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最大負(fù)摩阻力值/kPa
|
49.63
|
38.19
|
33.44
|
26.03
|
11.48
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4 結(jié)論
本文利用有限元數(shù)值分析手段，研究了場地初始固結(jié)度對(duì)樁身負(fù)摩阻力發(fā)展的影響規(guī)律，得到了如下結(jié)論：
?。?）初始固結(jié)度U=0時(shí)的樁身軸力和負(fù)摩阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它初始固結(jié)度的樁身軸力與負(fù)摩阻力。當(dāng)初始固結(jié)度為0.5時(shí)，樁身最大軸力約為U=0時(shí)的70%，最大負(fù)摩阻力約為U=0時(shí)的67%；當(dāng)初始固結(jié)度為0.95時(shí)，樁身最大軸力約為U=0時(shí)的32%，最大負(fù)摩阻力約為U=0時(shí)的23%。
?。?）不同土體初始固結(jié)度對(duì)樁基負(fù)摩阻力的影響實(shí)質(zhì)上是樁-土相對(duì)位移與樁基負(fù)摩阻力之間的關(guān)系，只要有樁-土相對(duì)位移便可產(chǎn)生負(fù)摩阻力，但負(fù)摩阻力的完全激發(fā)需要樁-土相對(duì)位移達(dá)到某一特定值。
?。?）負(fù)摩阻力的發(fā)展并不隨樁-土相對(duì)位移的增加而單純?cè)黾?，?dāng)?shù)竭_(dá)某個(gè)特定值時(shí)，負(fù)摩阻力發(fā)展十分緩慢或者不再發(fā)展。
參 考 文 獻(xiàn)
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