单桩复合地基桩身附加应力分布的三维数值模拟

来源：化拓教育网

第23卷第3期2002年9月华　北　水　利　水　电　学　院　学　报

JournalofNorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPowerVol.23No.3Sep.2002文章编号:1002-5634(2002)03-0046-04

单桩复合地基桩身附加应力分布的

三维数值模拟

必文,张　沈艹英

(浙江水利水电专科学校,浙江杭州310016)

摘　要:通过编制能正确反映复合地基各种相互作用的三维非线性有限元-无界元耦合程序,采用线弹性模型和Duncan-Chang非线性本构模型,分析了褥垫层在复合地基中的作用,并讨论了有褥垫层时桩体刚度、桩长的变化对复合地基桩身应力分布的影响;在此基础上,给出了桩体刚度对承台下桩土应力扩散规律的影响.所得结果对工程实际践指导意义.

关键词:复合地基;数值模拟;桩土模量比;桩身应力中图分类号:TU472.32　　　文献标识码:A

　　随着工程建设的不断发展,复合地基处理技术

在土木工程中得到愈来愈多的应用.由于在复合地基处理技术的研究中,室内试验成本较高且模拟的工况有限,现场试验耗资巨大并受到各种现场条件的,其试验成果不具代表性,难以推广到其他工程.所以,根据岩土工程数值分析方法来研究复合地基中,桩—土—承台三者相互作用机理就成为当今主要课题.本文采用三维非线性有限元-无界元耦合程序,根据一系列的试验结果,分析了复合地基中桩、土附加应力分布的规律,为复合地基处理技术研究开拓了新途径.

1.3　计算参数的选用1.3.1　土体

土体参数取值见表1[1].土体Ⅰ表示受荷载影响较大区域(16D)内的土体单元,其本构模型采用双曲线模型,用一般有限单元来模拟;土体Ⅱ表示受荷载影响较小区域(16D)外的土体单元.其本构关系采用线弹性模型,用无界单元来模拟.

表1　土体参数取值

参数

φ/°

C/kPa

0.38

RfnKur

土体Ⅰ13土体Ⅱ

151120.800.623K1

1　单桩数值模拟试验方案

1.1　桩体与承台尺寸

变形模量E1/MPa

6.4

泊松比μ

0.38

桩体为方形截面桩,截面尺寸为0.5m×

0.5m,承台尺寸为1.5m×1.5m,承台厚1.0m.考虑到问题的对称性,计算时取1/4域.1.2　网格的划分

1.3.2　桩体

桩体刚度的大小是相对地基土体刚度而言的(事实上,桩体刚度不但受到桩土模量比的影响,同

网格在桩顶、桩尖部分细化,以较准确地反映这些部位的受力和变形.为反映桩尖以下土体的受力和变形,网格在桩下端延伸(8～13)D(D为桩径),其下设无界元,以模拟土体在无穷远处的性态.网格侧向延伸(12～16)D,其外侧同样设置无界元.

收稿日期:2001-12-25;修订日期:2002-03-03

时也受到桩体长径比等的影响.此处暂不考虑桩体长径比的影响).根据目前使用的桩体材料,在可能出现的桩土模量比变化范围内,选取了4个不同数量级的桩土模量比[2～5],并把不同模量比所对应的桩体分别称为极柔性桩、一般柔性桩、半刚性桩、刚

必文(1974-),男,浙江舟山人,浙江水利水电专科学校助教,硕士,主要从事地基基础及建筑结构方面的研究作者简介:沈艹

工作.

第23卷第3期沈瑟文等:　单桩复合地基桩身附加应力分布的三维数值模拟　　　　　　47

性桩,见表2.极柔性桩、一般柔性桩采用双曲线模型,用一般有限单元来模拟;半刚性桩和刚性桩采用线弹性模型,用一般有限单元来模拟.

表2　按模量比进行桩体分类

参数

极柔性桩一般柔性桩半刚性桩

EP/E1KP/K1

后处理软件选用Winsurf和Excel.

2　垫层在复合地基中的作用

垫层在复合地基中起着极为重要的作用.图1给出了不同桩土模量比复合地基有、无垫层对桩身

附加应力分布的影响.褥垫层对桩体刚度大的复合地基影响较大,对桩体柔度大的复合地基影响不大.对于桩体刚度较小的极柔性桩和一般柔性桩复合地基,垫层仅在浅处影响其分布,由图1(a),(b)可看出,有、无垫层2条曲线在深层处基本重合.而对于半刚性桩和刚性桩复合地基,有垫层时桩身附加应力总小于无垫层时的桩身附加应力.对半刚性桩,桩身附加应力最大值约为无垫层时的55%,图1(c)所示;对刚性桩,这一值为59%如图1(d)所示.

桩　　体

刚性桩

1000

520

100

　　注:EP为桩体变形模量;KP为桩体双曲线模型参数之一.

1.3.3　承台、垫层和接触单元

承台和垫层均采用线弹性模型,用一般有限单元来模拟.桩土间、承台与垫层间、垫层与土体间均设置接触单元,以准确地模拟桩土界面间在受力过程中所遵循的Mohr-Columb准则和桩土界面在达到界面强度后应力松弛及转移现象,接触单元采用双线性模型.接触单元Ⅰ表示桩土间、垫层与土体间的接触单元;接触单元Ⅱ表示承台与褥垫层间的接触单元.其参数取值见表3[3,5].

表3　接触单元参数值

参数

承台

变形模量

E/kPa泊松比μ

C/kPaK/kN・m

-3-3

桩　　体垫层

0.5×1040.25

101510

接触单元Ⅰ接触单元Ⅱ

1080.15

10203.0×104

Kur/kN・m10

　注:表中K表示接触单元屈服前的单位切向刚度;Kur表示接触单

元屈服后的单位切向刚度.

1.4　荷载的施加

为模拟实际,在土体、桩土界面上施加初始应力:σz,σz=(1-sinφ)γz.另为保证1=γ3=σ2=k0γ初始状态下桩土界面上的应力平衡,桩体也计入初始应力,算法及取值同土体.

本文仅考虑竖向均布面荷,在承台上分级加载,每级加50kPa面荷,直到破坏.若文中未指明,均以加荷100kPa、桩长9m为代表方案.1.5　程序的编写

图1　褥垫层对桩身竖向附加应力分布的影响

　　所以说,若为桩体刚度大的复合地基增加褥垫

层,可以调整桩土竖向荷载分配,缓解基底的应力集中现象,保证桩土共同承担上部荷载,这样既保证了桩间承载力的充分利用,又减少了浅层处由于桩身应力过大所导致的桩体破坏的可能性,增加了桩体复合地基的安全度.但在实际工程中,土桩、灰土桩等柔度较大桩复合地基同样有必要设置垫层,因为可起到均匀地基应力、加速地基固结排水等作用.

本文程序的编写、运行和计算均选用FortranPowerStation4.0软件包.文中采用ALGOR软件生成

分析所需的模型,不但大大节省了时间,也避免了输入大量数据时人为出错的情况.

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3　单桩复合地基桩身附加应力

不同刚度桩复合地基桩身竖向应力的分布特征

如图2所示.

图1　试验装置3.1　极柔性桩　　

如图2(a)所示,桩身应力随深度急速衰减,桩

减,这说明桩身应力衰减沿桩身已基本均匀,这是刚性桩桩侧摩阻力基本上能够均匀发挥的结果.尽管下卧层土体强度远小于桩体本身刚度,刚性桩也能发挥其桩长效用.如图2(d)所示.

4　单桩复合地基桩土荷载的分担

不同桩土模量比复合地基承台下桩、土反力的分布如图3(虚线区域为桩体)所示.由于承台刚度极大,可视做刚性基础,其对地基土体具有架越作用,因此基底压力向承台边缘集中;同时,由于桩体刚度相对较大,所以桩体上也出现应力集中现象.从而导致基底压力分布很不均匀.

长的变化对桩身应力曲线影响很小,表明极柔性桩的桩长对桩顶荷载及桩身应力分布的影响可以忽略,也就是说,极柔性桩的桩长效用极其微弱,仅依靠增加桩长来提高桩顶荷载分配难以实现.3.2　一般柔性桩

桩身应力在较浅处急速衰减,当桩长增加到某一值时,衰减速度变缓,随着桩长的进一步增加,桩长则对桩身应力分布有了一定的影响.若桩长较小(如6m),桩身附加应力分布类似于半刚性桩桩身应力分布特点,如图2(c)所示;当桩长较大时(12m),又类似于图2(a)中所示极柔性桩桩身应力分布特点.

(应力以kPa为单位,负值表示压应力)

图3　垫层底桩、土竖向应力等值线图

　　对于极柔性桩复合地基,如图3(a)所示,由于

桩土模量比较小,桩体上应力集中现象不明显;而承台架越作用却显著.此时,承台边角处应力集中现象非常明显,土体边角应力>桩上应力>土体边部应力>土体内部应力.随着桩体刚度的增大,桩上应力集中现象越来越显著;而承台的架越作用却在减弱,桩上平均应力大于土体边缘平均应力,如图3(b),(c)所示.对于刚性桩体复合地基,桩体上应力明显集中,局部土体上应力已大面积的趋近于零值.

因此,对于刚性单桩复合地基,基本上同桩基相似,桩周土体几乎不再承担荷载,这对承载力较高的土体来说是一种浪费.此时,增大桩距、采用疏桩基础是解决合理利用土体承载力的一种途径.

另外,从图3可看出,刚性承台对桩体本身并无架越作用,桩体边缘应力小于桩心处应力.所以进行

图2　桩长对桩身荷载传递的影响

3.3　半刚性桩

半刚性桩复合地基桩身应力的衰减渐趋于均

匀,桩长对此类桩桩身荷载的分配虽有所影响,但并不显著.桩体应力衰减不像柔性桩那样呈曲线关系,而是几乎成直线向下衰减,此类桩最显著的特点就是衰减曲线无上凸的趋势.如图2(c)所示.3.4　刚性桩

刚性桩复合地基桩身应力分布基本上为直线衰

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现场载荷试验时,仅在桩中心处埋置压力盒是不

够的.

参　考　文　献

[1]刘祖典.黄土力学与工程[M].西安:陕西科学技术出版

[2]龚晓南.复合地基[M].杭州:浙江大学出版社,1992.[3]龚晓南.地基处理手册[M].北京:中国建筑工业出版

社,2000.

[4]吴世明.岩土工程新技术[M].北京:中国建筑工业出版

社,2001.

[5]牛志荣.复合地基处理及其工程实例[M].北京:中国建

社,1997.

材工业出版社,2000.

3-DNumericalSimulationofPileStressDistributionofCompositeFoundation

SHENBi2wen,ZHANGYing

(ZhejiangWaterConservancyandHydropowerCollege,Hangzhou310016,China)

Abstract:A3-DFEM2IEM(threedimensionfiniteelementmethod2infiniteelementmethod)nonlinear2analysiscomputerprogramisbuiltup,whichcanaccountforthemainaffectingfactorsofbearingcharacteristicsandsimulatetherealbearingcharacteristicsofcompositefoundation.Numericalsimulationandtestsareconductedforthesingle2pilecompositefoundationtoquantitativelyanalyzethemechanismofinteractionofpile2soil2cap.Theresultsofthissystematicresearchwillbehelpfultothedesignersandconstructorsofthefoundationengineering.Keywords:compositefoundation;numericalsimulation;pile2soilrigiditiratio;pilestress

江河入海泥沙锐减可能带来生态冲击

由于长江输送入海的泥沙最近20a来持续减少.入海泥沙锐减,可能给我国沿海生态环

境带来一系列冲击.

黄河素以多沙著称于世,上世纪50年代输沙高达12×108t,长江则近5×108t.但去年,黄河入海泥沙已不到2000×104t,仅相当于以往的1/60,长江为3.4×104t.加上其他中小河流,目前我国入海的泥沙总量比过去减少了近一半以上.

消失的泥沙去了哪里?一方面,由于采取生态保护措施,近年长江、黄河上中游地区植被覆盖率大幅度提高,水土流失明显减轻,但另一方面,大量泥沙则被分布在各流域的8万多座水库拦截,加上沿途河道大量采砂,使得河流含沙量节节下降.

作为海陆相互作用的一个重要过程,泥沙入海带来了大量的营养盐,形成了传统的渔场.泥沙在河口沉积,则形成三角洲,这也是上海不断“长大”的原因.

由于缺乏足够的泥沙补给,河口三角洲海岸岸滩正在被逼后退.黄河三角洲大面积的侵蚀,导致胜利油田拉响了潮淹堤坍的警报.

入海泥沙量锐减的现象,已与污染物增加、湿地丧失、海平面上升一起,并列为新世纪我国河口海岸面临的四大危机.河清了、沙少了,但新问题出来了.必须加紧环境效应分析,正视新挑战,以保护沿海经济带的生态环境.

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