桩长对岩基大直径扩底桩竖向承载性状影响数值分析

桩长对岩基大直径扩底桩竖向承载性状影响数值分析

摘要 本文从桩长的因素，采用有限元软件进行数值模拟计算，分析其对岩基大直径扩底桩竖向承载性状的影响，从而克服静荷载试验无法在不同地质环境和不同桩体型号测试桩体承载力的局限性。

关键字 桩长岩基大直径扩底桩 数值模拟

1 前言

在桩基工程中，静荷载试验是测试桩体承载力的有效方法之一，但是从经济角度加以考虑，静荷载试验往往不能在不同地质环境和不同桩体型号上一一试验，然而利用有限元软件建立桩体模型，模拟桩体竖向受力，得出桩体的沉降规律则不失为一种有效方法，本文中我们将利用ABAQUS模拟不同桩长的岩基大直径扩底桩的受力沉降，从而得出桩长对于岩基大直径扩底桩的受力变形规律的影响。

2 桩长对岩基大直径扩底桩竖向承载性状的影响

2.1 有限元模型的建立

为分析不同桩身长度下岩基大直径扩底桩的竖向承载性状，利用ABAQUS的前处理模块建立了大直径扩底桩的三维有限元计算模型如图1.1示，分别对3根不同桩身长度扩底桩的进行了有限元数值计算，模型中的桩的基本参数见下表桩身长度分别取14.0、17.0、20.0m，编号为A1、A2、A3，剖面示意图如图1.2示，土体和岩体参数见表1.1，桩体参数如表1.2示。

表1.1土体和岩体参数

图1.1 大直径扩底桩有限元计算模型图图1.2 大直径扩底桩剖面示意图(单位m)

2. 2 有限元数值模拟分析

使用ABQUS模拟的其竖向桩土位移，以及桩身轴力变化，侧面摩阻力的变化，分别对桩A1、A2、A3逐渐施加竖向压力，当竖向荷载较小时（1460kN），桩体A1、A2、A3桩侧土体、桩端中风化泥岩发生弹性变形，桩侧土体被桩体带动下沉，桩端中风化泥岩被压缩，沉降较小，此时桩A1沉降量为2.687mm，明显大于桩A2（1.61mm）和桩A3（1.556mm）。进一步加大荷载至3840kN,桩

A1桩体产生了一定的塑性变形，桩顶沉降进一步加大，此时，桩侧摩阻力发挥部分作用，桩端沉降则较小，而桩A3未产生塑性变形。当加载至8041kN时，桩体沉降明显加大，由于桩体受力较大，使桩体和桩周土体沉降不一致，侧摩阻力得到充分发挥，此时，部分桩顶竖向荷载通过桩身传递到桩端，桩端中风化泥岩产生一定的塑性变形。当加载至16000kN时，桩体和桩周土沉降明显不一致，桩端中风化泥岩发生了部分的塑性变形，桩体沉降加大，桩A1为10.82mm，A2桩为8.867mm，A3桩为7.943mm。

根据上述数值模拟的结果，得到桩A1、A2、A3的Q-S曲线图如图2.1示，从图中看出，3根桩在16000kN荷载下，均没有出现“拐点”，在直桩半径、扩底直径、扩底高度相同的情况下，在桩顶施加相同的竖向荷载，桩A3的曲线位于上侧， 桩A1Q-S曲线位于下侧。Q-S曲线表明：受到相同的桩顶竖向荷载下，桩长越长，桩的沉降就越小，桩的极限承载性就越大。

图2.1试桩A1、A2、A3荷载位移曲线图

根据数值模拟得到A1、A2、A3的桩侧摩阻力分布图（如图2.2—2.4）可知，向3根桩桩顶施加竖向荷载，当桩顶竖向荷载达到5307kN时，A3的侧阻力是A2的1.2倍，是A1的1.4倍，随着桩顶竖向荷载的加大，A3的侧阻力增加较快，当竖向荷载达到16000kN时，A3侧阻力为T2的1.4倍，为A1的1.6倍以上。侧阻力分析表明：桩身越长，桩侧面积就越大，桩侧摩阻力就越大。

从图2.5可以看出，短桩桩端阻力发挥作用较长桩快，并且端阻力在总荷载中所占的比例比长桩大（A1曲线位于A2、A3曲线之上），当桩顶竖向荷载较小时（桩顶荷载为160kN），A1的桩端阻力仅占总荷载的35%，加大桩顶荷载，桩端阻力随着荷载的加大而增加，当荷载至16000kN时，桩A1的桩端阻力占总荷载的80%以上，同理，A2、A3的端阻力也随着桩顶荷载的加大而加大。

数值模拟结果表明：大直径扩底桩桩体长度对其承载力影响较大，桩体承载力和桩身长度成正比。原因在于，桩体承载力是桩侧摩阻力和桩端阻力之和，当桩身越增加，桩侧面面积也相应的增加，直接表现为在受到竖向荷载时，桩土发生相对位移产生的桩侧摩阻力就越大。

图2.2A1摩阻力分布图图2.3A2摩阻力分布图

图2.74A3摩阻力分布图图2.5A1、A2、A3桩端阻力分布图

3 结语

在生产实践中，为了提高大直径扩底桩桩体的承载性能，增加其桩体的长度不失为一种有效的方法，但桩体太长亦会给施工带来诸多的不便，同时从经济方面考虑，生产施工单位的经济负担亦会相应增大，所以仅依靠增加桩体长度来改良桩的承载性能无法得到广泛的运用，尚需通过加强桩身强度、设置合理嵌岩深度等多种方法来提高其承载性能。

参考文献

[1] 曹汉志．桩的轴向荷载传递及荷载 —沉降曲线的数值计算方法[J]．岩土工程学报，1986，8(6)：39-49．

12] 何思明．桩的静力荷载传递新计算简介．地基基础工程．

[3] 陈国荣．弹性力学[M]．南京：河海大学出版社，2002．

[31] 王勖成．有限单元法[M]．北京：清华大学出版社，2003．

[41] 郭星宇．扩底墩竖向承载性状的数值模拟[D]．同济大学硕士学位论文，2007．

[5] 朱伯方.有限单元法原理及运用[M]．北京：中国水利水电出版社，1998．

[6] 龚晓南．土工计算机分析[M]．北京：中国建筑工业出版社，2000．

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。