基于土体HSS本构模型的堆载对邻近桩基的性状分析.pdf
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1、Jun.20232023年6 月JOURNALOF DONGGUANUNIVERSITOFTECHNOLOGYVol.30 No.3第30 卷第3期东莞理院学报基于土体HSS本构模型的堆载对邻近桩基的性状分析袁文豪阀云2王荣3(1.福建船政交通职业学院,福建福州350007;2.福州大学土木工程学院,福建福州350116;3.武夷学院土木工程与建筑学院,福建南平354300)摘要:软土地层中,桩基会因堆载而产生侧向位移和桩身的附加弯矩,这对桩基上部结构的稳定性产生不利的影响。为此,基于土体HSS本构模型,分析了不同约束条件下,地面堆载荷载大小与其作用位置、桩身及土体材料对邻近桩基的影响性状以及
2、影响规律。数值模拟表明:桩基最大水平变形和弯矩随堆载的增大或荷载至被动桩距离的减小而增大,且桩身最大变形位置从桩身中部逐渐向桩顶过渡;桩顶会因顶部约束而产生较大的负弯矩从而抑制桩身侧向位移;嵌固深度对桩身弯矩无显著影响。关键词:堆载;桩基;数值模拟;影响性状中图分类号:TU473.1文献标志码:A文章编号:1 0 0 9-0 31 2(2 0 2 3)0 3-0 1 1 5-0 5近年来,桩侧地面堆载造成深厚软土地桩基失效问题时有发生,岩土工程中,土体与被动桩的交互作用是当前的热点问题。De Beerl1)把桩归为主动桩和被动桩,被动桩不直接承受外荷载,而受桩周土体发生的变形和移动作用的影响。
3、迄今为止,有很多的科研人员对被动桩做了相关的试验和理论研究2-8 ,但仍然难以确定桩侧土压力及桩周土的位移分布规律。由于桩是作为上部结构荷载的承载构件,其持力层一般选择较坚硬的土或者岩层以保证上部结构的稳定和安全9 。但在桥梁基础、港口码头和部分的施工现场,常常存在桩侧堆载甚至超载的情况,而软土地基会在堆载或超载的作用下出现较大的沉降和水平位移,影响桥台的正常使用,甚至会产生较大的危害1-2 1 。在实际工程中,桩身的变形与弯矩会远远大于一般情况,这与其受土层水平位移的影响有关。当桩基的水平位移过大时会严重影响上部结构,存在一定的安全隐惠1 3O被动桩位移的影响因素很多,大多数学者会采用摩尔库
4、伦或者剑桥模型等有限元模型来分析。经过大量研究发现,用HSS模型分析非挤土桩或者半挤土桩结果与实际更相符14-15因此,本文通过Plaxis平台,基于HSS模型来分析邻近的桩基在地面堆载作用下的性态。考虑堆载作用位置、堆载大小、土体及桩身材料属性的不同,分析堆载对被动桩基的影响性状具有极其重要的意义,在实际工程中以该数据为一定参考。1HSS模型及参数的简介Hardening Soil Small-strain Model(简称为HSS 模型)Benz16在在HS模型的基础上,与Hardin-Drnevich 17模型结合来描述小应变区域内剪切刚度与应变之间双曲线关系。与HS模型对Eso和Ewr
5、的处理方式类似,HSS模型假定初始剪切模量与参考应力具有如下关系:ccoto-gmGo=G(1)(ccotp-gr)式中,G。为初始剪切模量,Grr为某级参考应力下的初始剪切模量,c为土体粘聚力,为土体内摩擦角,;为三轴试验施加的围压,f为参考应力,为与土性有关的参数(对于粘性土可取1.0,对于较密实的砂性土可取0.5)。初始剪切模量可由初始弹性模量计算,其关系式为收稿日期:2 0 2 2-1 0-30作者简介:袁文豪(1 9 7 9),男,福建南平人,高级工程师,硕士,主要从事公路桥梁建设教学与研究,Email:51 0 49 7 46 q q.c o m。2023年116东莞理工学院学报E
6、。Go(2)2(1+)式中,E。为初始弹性模量,V为泊松比。因此,输人参数初始弹性模量E。,且E。与参考应力关系如式(3):ccotp-gmE。=E(3)ccotp-grf式中,Er为某级参考应力下的初始弹性模量。2分析模型的建立桩体采用梁单元,土层采用三角形六节点单元,桩身尺寸效应在建模时忽略,模型边界约束采用“标准”约束,底边界采用固定约束,计算范围左右至少各6 0 m。通过均面荷载来模拟地面荷载。2.1基本算例模型的建立基本算例中,被动桩采用长度为2 0.0 m的单排桩,且顶部无约束。采用均布荷载加载,作用范围9.0 m。堆载边缘与桩顶中心的最小间距选取2.0 m。上层选用黏土层,下层采
7、用砂土层,同时,各级堆载荷载作用下的地基土层采用HSS模型表征,所建立的模型网格如图1 所示,材料参数见表1。黏土层砂土层图1模型网格表1材料参数表E/MPaVE50EurE。深度/m(kNm黏土层18.0100.35100003000090.00010砂土层19.0400.304000012000036000030桩21.04.01040.1620一本文模拟的工况包括:1)桩顶无约束与有约束的情况下,施加不同大小的堆载;2)桩采取不同的嵌固长度;3)改变堆载与桩承台的距离;4)改变堆载区域的宽度;5)采取不同的堆载方式。2.2基本算例结果分析图2 和图3为在不同堆载荷载作用下产生的水平位移和
8、桩身弯矩图。由图2、图3可知,当以较小的荷载堆载时,被动桩最大侧向位移发生在桩基的软土层中部,土层出现侧向位移的位置为上覆软弱层;桩身的上部侧向位移与桩身的弯矩成正比,即随着堆载荷载的增大而增大,且软硬土层交界处为最大正弯矩出现位置。由此可知,当软土层较厚,且桩顶无约束时,被动桩的遮拦作用并不明显。2525202020kPa/40kPa1580kPa120kPa101020kPa40kPa580kPa5120kPa00051015-200-1000100 200桩身水平位移/mm桩身弯矩/(kNm)图2桩身侧向位移与弯矩图12160单桩桩身最大弯矩一单桩桩顶水平位移140前桩桩身最大香矩10前
9、桩桩顶水平位移(u后桩桩身最大弯矩一后桩桩顶水平位移120810064220050100150050100150堆载荷载/kPa堆载荷载/kPa图3荷载与桩顶侧移、桩身弯矩图3影响性状分析3.1桩顶承台对比图2 与图4发现,考虑承台的影响桩身侧向位移减少大约2 0%,而最大负弯矩大幅增加,这说明承台的存在会增大桩身弯矩减少桩身位移。3.2桩的嵌入深度堆载采用p=80kPa,桩顶考虑承台作用,软土层的厚度取为L=10.0m,桩嵌人深度为Ls,计算时Ls取2 m、5m、1 0 m、1 5m、2 0 m,其他参数同上。计算结果采用Ls/L归一化处理,如图5所示。可见,若Ls/L0.2,则桩身侧向位移
10、集中于桩基软土层,且最大侧移主要出现在软土层上部;若桩基嵌固长度短,则较大侧移在多数桩身处都会发生。对比发现桩身弯矩与Ls相关性117袁文豪,等:基于土体HSS本构模型的堆载对邻近桩基的性状分析第3期较小,与堆载大小、软土层厚度相关性较大。2525202040kPa80kPa120kPa151040kPa1080kPa120kPa55010005-5000500桩身水平位移/mm桩身弯矩/(kNm)图4水平位移与桩身弯矩分布曲线线(桩顶约束)1.21.22m2m5m5m1.0-10m1.0-10m-15m-15m20m20m0.80.80.60.60.40.40.20.20.00.00246-
11、300-200-1000100桩身水平位移/mm桩身弯矩/(kNm)图5不同嵌固长度的被动桩性状犬(桩顶约束)3.3堆载荷载对桩的影响通过Plaxis平台模拟各种因素作用下对被动桩的影响分析,考虑的因素有堆载点与承台的距离、堆载范围、堆载方式。模型堆载荷载p取80.0kPa,桩顶设置承台,桩基础为10 m厚软土层,桩长L取15 m,其它条件均不变。3.3.1承台与堆载的距离采用承台堆载距离D与上覆软土层厚度Lu来表征堆载位置对被动桩的影响,计算时D/Lu取0.1、0.3、0.5,1.0、1.5、2.0,计算结果如图6 所示。可见,桩身的水平位移、弯矩随被动桩与堆载间距D的增大而减小;软土层中嵌
12、固桩身最大正弯矩和软土层最大负弯矩发生的位置保持不变;桩顶侧向位移随着堆载距离增大而减小,桩身侧移则表现出“短桩”的性状。3.3.2堆载区域宽度堆载区域宽度对被动桩性状的影响采用B/L来表征,B为堆载作用区域宽度,计算时B/L,取0.1、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0。由图7 可知,在B/L,不同情况下,桩身的水平位移性状不改变,B/L由0.2 增加到3时,桩身的水平位移也在增大,桩身的整体位移受软土层变形控制,出现类似“短桩”一样的平移。161614140.10.312120.51.0101.580.1.0.360.5441.01.5220001020-2000200400桩
13、身水平位移/mm桩身弯矩/(kNm)图6不同D/Lu下的被动桩侧移和桩身弯矩16160.214140.51.012121.5/2.010103.05880.20.5661.041.542.023.025000204060-5000500桩身水平位移/mm桩身弯矩/(kNm)图7不同B/Lu下的被动桩侧移和桩身弯矩堆载宽度对桩身的弯矩沿桩身分布规律影响不大,桩身弯矩大小与堆载宽度成正相关关系;当B/Lu=1桩身弯矩变化较小3.3.3不同堆载方式由图8 可知,采用刚性加载有利于减小软土层的侧向位移。究其原因,刚性垫层使得软土层中堆载产生应力的扩散角变小,从而使得应力直接传递至硬土层,减小对桩侧土层
14、的应力;同时,图8 表明,堆载方式对桩身产生的弯矩沿桩身分布规律影响不大。16161414柔性加载1212刚性加载/(底粗)1010刚性加载(底滑)8686一柔性加载4刚性(底粗)4一刚性(底滑)2200204060-5000500桩身水平位移/mm桩身弯矩/(kNm)图8不同堆载方式下的被动桩侧移和桩身弯矩20233年118工学院学报东莞理3.4软土层的影响研究软土层厚度、变形模量及泊松比对被动桩性状的影响。假定嵌入下卧硬土层的长度为L,=5.0 m,堆载为柔性加载,软土层E=2000kPa,桩E,=1.210kPa,荷载为8 0 kPa,其它条件与基本算例相同。3.4.1软土层厚度当被动层
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