基于PLAXIS,3D望天狮排涝站变截面桩基承载力分析
时间：2023-06-05 13:50:24 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
黄伟斌 清远市水利水电勘测设计院有限公司
桩基础是一种常用的深基础形式,由基桩和连接于桩顶的承台共同组成，用于将结构荷载传递到地下一定深度的土壤中[1-3]，此外桩基础还能提高土壤承载力，避免横向荷载和防止土体不均匀沉降等作用，因此广泛应用于岩土工程中[4-5]。
本文为研究不同桩截面类型对桩基轴向承载力的影响，以望天狮排涝站为例，使用PLAXIS 3D对传统圆形、方形和变截面锥形桩段进行建模分析，研究了截面几何形状对实心桩和空心管桩性能的影响。研究结果可为相关工程提供参考。
清新区望天狮排涝站地处清远市清新区滨江河飞水大桥西北面，区域属于珠三角北缘，山区与平原接触部位。工程区地形较平坦，高差变化不大，交通方便，自然地面高程10.0～18.0m左右，河床高程约10.00m左右。地层分布主要为堤身填土，第四系冲积层粉质粘土、淤泥质土、粗砂和卵石等，下伏基岩为泥盆系砂岩。本区地处岭南山系南缘，属亚热带气候，雨量充沛，水系发育，河流切割密度大，呈树枝状分布。因此北江为区内最低排泄基准面，地表大小溪、沟、湖水均流入北江。望天狮排涝站属一级冲积阶地，地形较平坦，地面高程一般在10～18m，沿河流中间多发育河漫滩，两岸多为岸坡。一级阶地主要由第四系冲积层粉质粘土、淤泥质土、中粗砂和卵石等，下伏基岩为泥盆系砂岩。
本文主要研究变截面桩尺寸参数对地基土中桩的轴向承载力的影响，参数包括桩的横截面、截面类型（空心和实心）。分析时选择典型的圆形截面作为对比截面，同时对正方形和不同（锥形）截面进行了研究。图1中给出了不同截面桩的尺寸，其中D代表圆形截面桩的直径，B代表桩基上部正方形截面边长，而b代表桩基下部正方形截面边长。变截面桩和圆形桩尺寸的选择取决于前人进行的实验研究。
图1 不同截面桩的尺寸
本研究采用三维有限元程序PLAXIS对桩基进行建模，如图2所示，土的变形采用摩尔库伦硬化土模型，网格划分为三角形划分技术。地表和地下水位之间的距离为1.5m，模型宽25m，长25m，高22.4m，但为了数值稳定性，建模时尺寸缩小一倍。模型场区内覆盖层自上而下依次为：（1）人工填土，层厚2.80m，呈土黄色、灰色，土质粘性稍好，由粉质粘土及砂砾等堆填而成，局部夹石块和混凝土块，稍湿，结构松散；
（2）粉质粘土，层厚5.30m，为灰黄、褐黄、浅红色等，可塑，呈花斑状，切面光滑，粘性一般～较好，含少量粉细砂；
（3）淤泥质土：层厚8.60m，为深灰、灰黑色，饱和，流塑，含少量有机质及粉细砂，局部含腐木质；
（4）粗砂：层厚0.90m，为浅灰色、灰白色，含泥质约3%，砂质为石英，分选性较好，下段0.2m为含淤泥质粉质粘土，饱和，呈稍密状；
（5）卵石，4.80m，为杂色，含泥质约3%，局部夹粉质粘土，含砂砾约20%～30%，碎石质以砂岩质为主，粒径一般为2～10cm，饱和，呈中密状。
图2 桩基数值建模
地基土的破坏模型采用硬化土模型，该模型使用塑性而非弹性原理使用土壤剪胀性，并引入屈服极限。桩帽采用板单元建模，由三角形单元组成，每个节点有6个节点和3个平移自由度（ux、uy和uz）。边界条件为地基和左右两侧水平约束，底部边界水平和竖向全约束，地基表面为自由面。此外，混凝土桩与地基结构之间采用接触单元，切向摩擦系数为0.9，法向采用硬接触，计算用对称分析方法。混凝土桩为线弹性桩材料，因此采用线弹性模型。荷载施加为在桩帽中心施加了0.5吨（5kN）的垂直点荷载。荷载值是在反复试验的基础上选择的，以确保所有桩都能达到其承载力。表1为本次计算参数。
表1 数值计算参数
4.1 非变截面桩荷载位移变化
图3给出了实心和空心圆形和方形非变截面桩的荷载-位移曲线结果。由图可知，对于圆形截面，实心截面的极限轴向承载力为1622N，空心截面的极限轴向承载力为837N，因此实心圆形截面的极限承载力明显高于空心圆形截面。此外，方形实心截面和空心截面的轴向承载能力分别为2132N和1562N，显著高于圆形截面。因此与实心圆形和方形截面相比，空心圆形和方形截面的轴向承载力最低，同时方形桩基础的承载力远大于圆形桩承载力。这是由于，方形桩外表面积大且成方型或多边角型，在土层中桩体与土的休止角比圆型的外表大得多，这就意味着方桩比圆形桩在同等地质条件下能获得更大的承载力。
4.2 不同截面尺寸桩基荷载位移变化
图4和图5分别给出了所有实体截面和空心截面桩基荷载-位移曲线。由图可知，随着截面尺寸的减小，空心和实心桩基的承载能力的值会减小，其中实心截面和空心截面的锥形桩（3b）的最大轴向承载力分别为2868N和2387N。变截面尺寸为2.5b的桩基承载能力略低，实心截面为2650 N，空心截面为2181N。变截面尺寸为2b的实心截面和空心截面的承载力分别为2473N和1924N，而1.5b变截面桩基的承载力值最低，实心截面为2324N，空心截面为1768 N。因此可以得出，增加变截面桩基的截面面积会增加实心截面和空心截面的轴向承载力。此外，锥形桩的位移值远比任何方形桩甚至圆形桩的低。就位移值而言，所有实心锥形桩的位移值都相差不大，从1.5b截面的1.13mm到2.5b截面的130mm。对于开口侧空心截面，位移值也相对接近，范围从2b截面的102mm到1.5b截面的113mm。应注意的是，由于后期随着加载阶段不断深入，土壤开始发生破坏，位移随着轴向桩承载力成比例增加。图6给出了3b实心和空心变截面桩的位移云图。
图4 所有实体截面桩基荷载-位移曲线
图5 所有空心截面桩基荷载-位移曲线
图6 3b实心和空心变截面桩的位移云图
4.3 不同截面尺寸桩基弯矩变化
表2 给出了不同截面类型桩基最大弯矩计算结果。由图可知，对于圆形截面桩，实心桩的最大弯矩明显小于空心界面桩基，分别为108.5 kN·m和123.5 kN·m，这一变化趋势仍然可以在方形桩和变截面桩中观察到。其中，对于方形桩基础，实心和空心最大弯矩分别为98.6kN·m和110kN·m；
1.5b变截面实心和空心最大弯矩分别为90.6 kN·m和92.7 kN·m；
2b变截面实心和空心最大弯矩分别为85.7 kN·m和80.3 kN·m；
2.5b变截面实心和空心最大弯矩分别为76.6 kN·m和72.5 kN·m;3b变截面实心和空心最大弯矩分别为70.7 kN·m和68.5 kN·m。因此还可以得出的是，随着变截面桩的尺寸增大，桩基所产生的最大桩基弯矩会逐渐减小，因此具有较好的抗弯性能。此外，方形桩基础的抗弯性能要优于圆形桩基础，因此本文建议在工程预算经济的条件下，应尽量选择方形桩和变截面桩进行地基加固，来控制建筑物沉降。
表2 不同截面下桩基弯矩计算结果（kN·m）
本文为研究不同桩截面类型对桩基轴向承载力的影响，以望天狮排涝站为例，使用PLAXIS 3D对传统圆形、方形和变截面锥形桩段进行建模分析，研究了截面几何形状对实心桩和空心管桩性能的影响。研究结果表明：
（1）实心截面的极限轴向承载力为1622N，空心截面的极限轴向承载力为837N。此外，方形实心截面和空心截面的轴向承载能力分别为2132N和1562N，显著高于圆形截面。因此空心圆形和方形截面的轴向承载力最低，同时方形桩基础的承载力远大于圆形桩承载力。
（2）随着截面尺寸的减小，空心和实心桩基的承载能力的值会减小，其中实心截面和空心截面的锥形桩（3b）的最大轴向承载力分别为2868N和2387N，而1.5b变截面桩基的承载力值最低，实心截面为2324 N，空心截面为1768N。
对于圆形截面桩，实心桩的最大弯矩明显小于空心界面桩基，分别为108.5 kN·m和123.5 kN·m，这一变化趋势仍然可以在方形桩和变截面桩中观察到。3b变截面实心和空心最大弯矩仅分别为70.7 kN·m和68.5 kN·m。
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