有限元法分析抗拔群桩承载力与位移关系

康 正 炎

(1.安徽省水利部淮委水利科学研究院,安徽 合肥 230088; 2.安徽省建筑工程质量监督检测站,安徽 合肥 230000)

1 基本假定

假定模型区域内的土为连续、均质、各项同性的土体，模型四周引入边界条件。模型边界约束：底部施加垂直面上的位移，四个侧面施加垂直面方向上的位移，上端为自由的，不受任何的约束；桩的存在不会改变土体的弹性模量以及泊松比；土体选用弹塑性模型，桩体选用线弹性模型；桩土之间的接触面设定面面接触，且设置滑移临界值是2 mm。

2 计算参数选取和模型的建立

本文中选用本构模型是Mohr-Coulomb模型。桩土参数如表1所示。

表1 桩土参数的选用

计算模型选用空间的1/4部分，创建桩与土的三维模型进行数值模拟。模型大小选取：水平方向取10倍扩大头直径，竖直方向上取1.5倍桩长。网格划分时，与桩远的土的网格能划分大一点，靠近桩周土的要细化，以便计算结果更加精确。桩土均取C3D8R单元。

3 试桩试验的验证

根据ABAQUS软件进行数值模拟，图1给出了部分荷载下的位移云图。记录了五根桩的平均上拔位移量与总的抗拔荷载，可以得出表2中数值模拟结果。

表2 数值模拟下的群桩位移

把数值模拟的结果与试验桩结果以及理论计算结果三者作比较，如图2所示 。从图2中可知：在荷载较小时，桩土表现出弹性，数值模拟结果与试验桩值比较接近。在上拔荷载较大时，可以看出数值模拟结果与试桩结果存在误差，但抗拔群桩承载力与位移曲线图总的趋势是对的，能够反映出承载力与位移的特性。同时也说明了数值模拟方法的可行性。

4 群桩Q—s曲线特性分析

抗拔群桩的承载力与位移曲线是探究群桩承载力性状的重要手段。而影响承载力与位移曲线特性因素有很多，例如桩长、桩径等因素有关。下面以抗拔试验桩的参数为背景，取五根桩的总荷载与中心桩处上拔位移量为例，分析五种因素对抗拔群桩的Q—s曲线的影响图。部分的桩与土参数详见表1。

4.1 群桩Q—s曲线与桩长L的关系

图3是五根爆扩桩在不同桩长时的抗拔群桩承载力与位移关系图，桩土的部分参数为S=1 m，d=0.08 m，D=0.26 m，其他的条件基本相同。由图3可知：

1)当对桩施加一样的荷载时，上拔位移量随桩长的增加而减小。原因有桩长的增长群桩的自重会变大；桩土之间的接触面增大了，桩侧摩阻力肯定会增加，所以抗拔群桩的总的承载力也会增加。

2)当对桩施加一样的位移量时，抗拔群桩总的承载力随着桩长的增大而增大，原因是抗拔群桩间相互作用效应增强，群桩间的裹附的土体增多，所以抗拔群桩承载力增大了。桩长的增加对提高抗拔群桩承载力有较大的作用，当然抗拔群桩的变形也变大了。抗拔群桩的桩长设计时，由承载力和变形共同决定的。

4.2 群桩Q—s曲线与桩径d的关系

图4是五根爆扩桩在不同桩径下的抗拔群桩承载力与位移关系图，桩土的部分参数为L=4 m，S=1 m，D=0.26 m，其他的条件基本相同。由图4可知：

1)当对桩施加相同的荷载时，抗拔群桩的上拔位移量随桩径的增加而减小。同样在上拔位移量相同时，抗拔群桩的总的承载力随着桩径的变大而变大，主要原因是桩径变大了，桩土之间接触面变多了，其侧摩阻力也变大，且桩的自重也会增加。

2)从图4中知道，抗拔群桩的总的承载力随桩径的增加而增加，但增幅不是很明显。主要是由于桩间距太小，桩与桩之间靠的太近，不能充分发挥群桩效应。桩土之间的摩阻力也不能充分利用。

5 结语

本文主要采用有限元软件ABAQUS进行数值模拟爆扩桩的抗拔群桩承载力与位移曲线随着桩距、桩长等变化的特性研究。我们可以得出以下结论：

影响抗拔群桩承载力与位移曲线的因素包括桩长、桩距等方面。其中桩长、桩径与桩土摩擦系数对抗拔群桩的承载力特性影响最大。实际工程案例中，对抗拔群桩设计必须合理设计抗拔群桩长径比、桩距和桩径等主要因素，以充分发挥每根桩的极限承载力。