基于ADINA的多层土中单桩设计要素分析

摘 要：通过桩基静载试验确定桩基承载力并利用大型有限元数值分析软件 ADINA 建立 2 组 9 根桩 - 土接触模型，然后进行多层土中单桩沉降过程的数值仿真分析。 通过 ADINA 强大的后处理功能来提取每根桩顶的沉降量并绘制成 Q-S曲线。通过对这些曲线的对比分析，分别对单桩的桩长和桩径在多层土中的沉降影响做出定性分析。

关键词：单桩;沉降; Q-S 曲线;多层土;桩长;桩径

一、工程概况

1.工程简介

辽宁省某商业楼基础钻孔灌注桩工程采用反向循环泥浆护壁钻孔灌注桩，桩体设计承载力为2000 kN。施工参数为：采用反向回转钻机，导管直径 200mm;采用 C25 商用混凝土，坍落度为201 mm，充盈系数为1.12;二次清孔后孔底残渣厚35 mm，泥浆密度为1.16;桩体垂直度小于桩长的1%;灌注时导管距离孔底0.6 m;钢筋笼长16.6m。根据地勘报告，场地地层结构自上而下为： ① 素填土层，黄褐色—深褐色，主要由黏性土组成，局部含少量砂土，仅在局部分布，钻孔揭露厚度为 0.5～2.6 m ;② 粉质黏土层，黄褐色—红褐色，总体呈可塑状态，局部坚硬、硬塑，切面稍有光泽，钻孔揭露厚度为 0.5～16.5 m;③ 全风化花岗岩层，黄褐色—棕褐色，节理裂隙极度发育，岩芯呈砂土状，钻孔揭露厚度为 0.8～21.6 m，该层局部钻孔未揭穿;④强风化花岗岩层，灰白色、黄白色，粗粒结构、块状结构，钻孔揭露厚度为0.9～7.5 m ，该层钻孔未揭穿，局部未钻进。

2.桩基静载试验

根据现场的实际条件，对商业楼B1 号楼钻孔灌注桩基础的单桩进行了竖向荷载作用下抗压静载荷试验，共完成2根桩的单桩竖向荷载作用下的抗压静载荷试验。该工程选取的静载试验装置是锚桩横梁反力装置，加载系统为320t千斤顶。试桩由3根钢梁作反力架，由 4根锚桩通过钢梁与锚桩连接形成反力系统;由1块 100MPa 压力表和2块100mm百分表构成观测系统;由2根4m槽钢作为基准梁进行测读。该次试验采用慢速维持荷载法，每级加荷量为估算设计极限荷载的1/10。第1级按2倍分级荷载进行加荷，每级加载后间隔 5、10、15、15、15 min各测读1次百分表读数，以后每隔0.5 h测读1次，直至稳定。

二、单桩数值模型的建立

1.本构模型的选取

当静荷载作用下桩体处于弹性阶段时，本构模型可采用线弹性模型，即Isotropic Elastic 模型。土体在荷载的作用下处于弹塑性状态，一般采用Mohr-coulomb模型。在 ADINA 软件中，通过输入土体的弹性模量、泊松比、密度、黏结力来实现对土体的模拟控制，是当今世界应用较为广泛而有效的土体模型之一。 Mohr-coulomb模型中材料的屈服是剪应力引起的，当剪应力达到某一值时材料进入屈服阶段，该值不但与材料自身的性质有关，而且与该平面上的正应力有关。

2.模型土体参数的选取

在该模型中土体分为 4 层，该次模拟中共采用 9 根试桩并采用统一的材料，其弹性模量 E=30 000 MPa ，密度 ρ=2 500 kg · m -3 ，泊松比 μ=0.2 。

将9根试桩分为2组，①②③④⑤号桩为Ⅰ组，研究桩长对多层土中单桩的沉降影响; ⑥⑦⑧⑨ 号桩为Ⅱ组，研究桩径对多层土中单桩的沉降影响。

3.模型的计算分析

首先要进行模型的地应力分析，提取地应力值然后将地应力值施加到桩-土接触模型中以平衡由地应力引起的沉降变形。 接触对中要将土体接触面设置为“目标面”，桩体接触面设量为“接触面”;通过定义时间函数逐级施加荷载至2000 kN，以模拟桩的静载荷试验过程。

三、 模型结果分析

通过 ADINA 软件的后处理功能提取各组试桩的桩顶沉降量，并利用该数值绘制成图进行分析比较，同时利用其显示功能绘制出各桩最终沉降的等值线图进行辅助观察和对比。试桩①、试桩③和试桩⑥的最终沉降等值线。

1.桩长对桩顶沉降的影响分析

为研究桩长对单桩桩顶沉降的影响，利用数值模拟结果，获得不同桩长时1组各桩桩顶 Q-S曲线和各级荷载下桩长与沉降量曲线，桩长6m时其Q-S曲线出现明显拐点即拥有明显的破坏点，该桩的最终沉降量也较大。桩长为10 m时该桩桩顶Q-S曲线也拥有明显的拐点，但是拐点处所对应的桩顶荷载较桩长为6m时大。桩长为18m时该桩桩顶Q-S曲线比较平缓且无明显拐点，即无明显破坏点，该桩的最终沉降量远小于前2根试桩。当桩长依次增加至23m和27m时，这2根试桩的沉降曲线也较为平缓且最终沉降量与桩长为18m时较为接近。桩长由6m增加至27 m过程中，各级荷载下的曲线向下倾斜即沉降量随着桩长的增加而逐渐减小，且为下降的趋势，以桩长18m为分界点，18m之前曲线的斜率较大、下降得快，18m之后曲线的斜率变小、下降变慢。桩长的增加大幅度提高了桩在多层土中的承载力，减小了桩的沉降。随着桩长的增加，桩端深入到弹性模量较大的坚硬土层中，桩侧摩阻力逐渐增大从而提高了桩的承载力，降低了桩的沉降量。但是当桩增长到一定程度后（以18 m为临界点）桩长的增大对桩沉降量减少的影响已经很小，桩在土层1和土层2中的侧摩阻力已达极限，继续增大桩的长度对桩沉降的降低作用不再明显。

2.桩径对桩顶沉降的影響分析

为研究桩径对单桩桩顶沉降的影响，利用数值模拟结果，获得不同桩径时Ⅱ组各桩桩顶 Q-S 曲线和各级荷载下桩径与沉降量曲线，桩径为0.5 m时其Q-S曲线有明显拐点即拥有明显破坏点且桩的最终沉降量较大。桩径为1.0 m 时该桩的Q-S曲线较为平缓且无明显破坏点，桩的最终沉降量较桩径为0.5 m时大幅度减少。当桩径依次增加至1.5、2.0、2.5 m 时，这3根试桩的Q-S曲线也较为平缓且最终沉降量依次减少但减少的幅度不大。在各级荷载下随着桩径的增大曲线向下倾斜即桩径的增加减少了桩在多层土中的沉降量。同时曲线以1.0m为分界点，1.0m之前曲线的斜率较大即曲线较陡，1.0 m之后曲线的斜率较小即曲线较缓。桩径的增加可提高桩在多层土中的承载能力降低桩的沉降量，但是当桩径增大到一定程度后（以1.0 m为临界点）桩径的增加对降低沉降的作用不再明显。

四、结语

1.随着桩长的增加，桩顶的沉降量随之递减，但是递减的幅度逐渐减小。工程中当已经掌握地质资料后，尽可能增大桩的长度且使桩端位于弹性模量较大的坚硬土层中，以保证上部结构的安全性，但是还要充分考虑工程的造价，不能无限长的增大桩长，以保证经济性与安全性的统一。

2.随着桩径的增加，桩顶的沉降量随之递减，但是递减的幅度逐渐降低，工程中基于安全性要求要尽可能地增大桩径，但是考虑到经济效益，不可能无限大的增大桩径，应根据实际条件选取合理的桩径。

3.对于降低沉降的效果，桩长的增加要强于桩径的增加，故在工程实际中桩长的设计对于沉降的影响更为重要。

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