荷載作用下斜坡上單樁的有限元分析.pdf

《荷載作用下斜坡上單樁的有限元分析.pdf》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、荷載作用下斜坡上單樁的有限元分析■王志龍一河南大學(xué)土木建筑學(xué)院。河南開封475000摘要：無論樁承載豎向荷載還是水平荷載。樁土相互協(xié)調(diào)工作非常復(fù)雜，其受力機(jī)理與樁身材料、幾何特性、樁周土特性等因素有關(guān)。本文采用ABAQUS數(shù)值模擬分析結(jié)果表明：樁頂沉降量的大小主要取決于樁頂豎向荷載的大小，樁頂沉降隨豎向荷載的增大而緩慢增大。隨著水平荷載的增大，在加載前期(水平荷載為0到200N時(shí))，樁頂側(cè)移較小。在加載后期(水平荷載為200N以后)，水平側(cè)移幅度增大。模擬樁均在距離樁端1／3段，發(fā)生了較大的側(cè)移，在這段范圍內(nèi)，水平側(cè)移量隨著樁埋深增大呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。在樁身0．3m一1m之間，模擬

2、樁表現(xiàn)出良好的錨固現(xiàn)象。關(guān)鍵詞：荷載斜坡頂端數(shù)值模擬隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，愈來愈多的人認(rèn)識到城鎮(zhèn)生活的便利，促使人口大量涌向城鎮(zhèn)，國家的城鎮(zhèn)化進(jìn)程越來越快。而人多耕地少的國情使得城鎮(zhèn)的土地資源越來越緊張。同時(shí)，在城鎮(zhèn)建設(shè)及道路橋梁建設(shè)中，許多高聳結(jié)構(gòu)物因工程需要而不得不建設(shè)在斜坡上。這些樁基的受力特性表現(xiàn)出一定的復(fù)雜性：不僅具有承重的功能，同時(shí)還兼有加固斜坡的功能。因此，在受力上表現(xiàn)為既承受豎向荷載又作用有水平荷載，屬于復(fù)合受荷樁范疇，此類建筑物的工程安全尤為重要，一旦出現(xiàn)問題，將會造成嚴(yán)重的社會影響。因而，本文采用ABAQUS數(shù)值模擬位于斜坡頂端的樁基受力機(jī)理顯得十分重要，對實(shí)際

3、建設(shè)過程起到一定作用。梁發(fā)云等?對單樁在豎向和水平荷載共同作用下進(jìn)行了理論分析，結(jié)果表明豎向荷載對水平受荷樁的作用會使樁身彎矩增加或增大樁的側(cè)向變形。Anagnostopoulos¨J通過模型試驗(yàn)研究了單樁在豎向與水平荷載作用下的相互關(guān)系。王麗[3]對天津某高層建筑工程不同垂直度的傾斜樁進(jìn)行了現(xiàn)場載荷試驗(yàn)。在試驗(yàn)成果基礎(chǔ)上利用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行模擬，分析了不同垂直度、不同土質(zhì)條件下樁的荷載傳遞及承載力受垂直度變化的規(guī)律。張建偉[41等人利用ABAQUS軟件對豎向及水平荷載共同作用下斜坡上單樁進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究樁的荷載傳遞及變性特點(diǎn)。本文采用ABAQUS數(shù)值模擬對斜坡頂端

4、的基樁進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了先后依次施加豎向荷載和水平荷載對模型樁的樁頂沉降、樁頂側(cè)移、樁身水平位移的影響，對實(shí)際工程有一定的借鑒意義。1三維有限元分析1．1模型參數(shù)及幾何尺寸的確定為了減小建立幾何模型的復(fù)雜程度并提高軟件計(jì)算效率，可以對數(shù)值模型進(jìn)行簡化，建立I／2實(shí)體有限元模型。模型中土體水平方向尺寸取4000mm；豎向坡底尺寸取1000mm，坡頂取2000ram。模型樁40個(gè)單元，，樁選用線彈性模型模擬，樁長為1m，彈性模量為30000MPa，密度為2．a(chǎn)rccm3，泊松比為0．2。模型土體共7058個(gè)單元，土體選用摩爾一庫倫模型模擬，彈性模量取lOMPa，密度為1．649／cm3

5、，內(nèi)摩擦角為36。。1．2荷載及邊界條件的施加模型為三維實(shí)體模型，采用參考點(diǎn)先施加豎向荷載(300N、600N、900N、1200N)，然后逐級施加水平荷載(50N、100N、150N、200N、250N、300N、350N．400N．450N)。模型約束左右兩面約束x向位移與轉(zhuǎn)角，前后兩個(gè)面約束Y向位移與轉(zhuǎn)角，樁的對稱面約束限制Y向位移和轉(zhuǎn)角，模型土體底面將約束x,y、z向轉(zhuǎn)角和位移，保證模型土體底面始終處于固定狀態(tài)。2豎向荷載作用下單樁承載特性2．1樁頂沉降有限元分析中逐級施加豎向荷載時(shí)，樁基自身和樁周土體共同來承擔(dān)上部荷載：一部分荷載通過樁土相互作用以剪應(yīng)力的形式傳遞給樁周土體

6、，另一部分荷載是由樁端的持力層承擔(dān)。因此，樁的承載和變性特點(diǎn)是在豎向荷載作用下樁土相互作用的結(jié)果，同時(shí)也和樁基尺寸、材料特性、樁周土性、成樁工藝等因素有關(guān)，這是一個(gè)相對復(fù)雜的相互作用過程。數(shù)值模擬過程中施加豎向荷載時(shí)對應(yīng)的樁頂沉降為0．1mm、0．2mm、0．39mm、0．74ram。對于陡降型荷載一位移曲線而言，取其明顯發(fā)生陡降的起始點(diǎn)對應(yīng)的荷載值為樁的極限承載力600N。樁頂沉降量的大小主要取決于樁頂豎向荷載的大小，當(dāng)豎向荷載未達(dá)到樁的極限承載力之前，樁頂沉降隨豎向荷載的增大而緩慢增大；當(dāng)豎向荷載達(dá)到樁的承載力之后，豎向荷載的增大對于樁頂沉降的影響顯著加強(qiáng)。2．2樁頂水平位移在不

7、同豎向荷載作用下，樁頂水平方向同樣發(fā)生了不同程度的側(cè)移，通過有限元分析軟件得到：在豎向荷載為300N、600N、900N、1200N時(shí)，對應(yīng)的樁頂水平位移為0．13mm、0．12mm、0．03mm、0．05mm。隨著豎向荷載的逐漸增大，樁頂側(cè)移總體上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，我們可以發(fā)現(xiàn)模擬樁先發(fā)生了正向側(cè)移，隨后向反方向變化，這是由于斜坡頂端正向土壓力作用所致。3水平荷載作用下單樁承載特性3．1樁頂水平位移為了研究樁頂水平荷載對樁頂側(cè)移的影響，在樁頂逐級施