桩基负摩阻力变化规律

文／苏钢 南昌铁路勘测设计院有限责任公司 江西南昌 330000

引言：

桩的基础在使用中经常会出现多样的病害，其中因负摩阻力而引起的沉降病害将直接影响行车安全。为保证桩基础在使用的过程中安全，则需保证桩基础保持安全的状态，不允许出现下沉以防止桩基础在使用中因此而出现的故障。

1、负摩阻力的理论计算

1.1 负摩阻力主要条件

（1）桩基础进入填土或欠固结软黏土进而将桩端放在类似岩石等桩端持力层上时，填土或欠固结软黏土将产生自重固结从而发生下沉的现象；

（2）饱和软土层中如密集打群桩将发生超孔隙水压力，土层将被大量挤出，随后饱和软土又因超孔隙水压力的消散重新固结并下沉；

（3）粉土或欠固结黏土地基，因为下卧砂层及砂、砾石层抽地下水或者其他因素使地下水位降低，从而岩土层产生自重而固结沉降；

（4）桩周因大量堆载产生而大量下沉，也将产生负摩阻力；

（5）土层应力松弛也会引起负摩阻力，例如某些工程中板桩的变形或者因施工等原因引发沉降时，桩周非黏性土在动力等作用下也将产生负摩阻力。

1.2 负摩阻力的计算方法

为了了解桩负摩阻力的变化规律，须研究桩基础和土共同工作特点。为了实验简单化，负摩阻力的计算方法均为假定工况，桩周的负摩阻力是分布均匀的，并且对于地基分层而言，也假定在同土层内的负摩阻力是分布均匀。

现在国内外，对桩基础负摩阻力的计算方法大多采用有效应力法，国内很多规范也均有推荐该法，其计算公式也较为简单，具体如下：

2、研究方法

2.1 有限元方法的基本方程

本次计算模型采用的有限单元法是数值计算分析方法的一种,它是从变分原理出发把泛函极值问题转化为一组多元线性方程组来解答。从物理科学和几何科学的研究角度,有限单元法被称作矩阵方程法，在弹塑性力学和结构力学领域有着广泛的应用和发展。

将计算模型用网格法分出有限个数量的小单元体,小单元体之间在节点处相互铰结，这种结构被称为离散结构，用这些离散结构替代连续体结构,以此便于分析应力变化和变形情况。将荷载作用于离散结构的节点上成为节点荷载。应变和应力公式表述如下:

运用虚位移原理和应变应力公式，可建立节点荷载和节点位移之间方程式,如下：

2.2 基本假定

有限单元分析计算中为使计算简化且能业映计算过程中问题的主要特征,本实验只考虑模型在竖向荷载条件下的假设：

（1）计算模型分析尽可能采用空间轴对称的办法，利用对称性原理不仅能较快的计算出结果，准确性也较高；

（2）计算过程中假定桩侧和桩底端岩土的性质相同且连续均匀的弹塑性材料,破坏准则采用D-P 准则，混凝土桩基础采用线弹性的计算模型；

（3）计算模型中的各岩土层土是均匀且性质相同的；

（4）计算模型中桩基础和岩土体相互作用的变形相协调且作用的交界面没有滑移。由于桩基础和岩土接触面的单元特性，桩基础的刚度远大于岩土的刚度，桩基础和岩土界面应设置一种接触面单元体。

2.3 单桩和岩土体相互作用的有限元计算模型

从ANSYS 计算模型理论上来说,计算模型范围选择的越大,计算过程中所需划分单元体就需越细，计算结果就越准确且精度越高，但是计算范围划分的越大，单元体划分的越小，计算所需的时间就越长，计算所需的费用就越高。在此之前这类研究一般都假设模拟岩土体为线弹性体,其所要求计算区域明显偏大。实际上,岩土体抗拉的性能和传递剪切变形能力很差，桩基础周边的剪应力在岩土中的传递随距离增大而很快衰减。经过几次仔细的试算，计算区域选取: 径向5 到20 倍桩基础直径,竖向1 到2 倍的桩长,从而使计算时收敛。为了降低单元体的自由度和压缩计算所需的时间,建立计算模型时应充分利用单元体的对称性,例如桩基础和岩土体取1/4 的单元体进行计算,并在对称面上设立正对称边界条件。计算实体模型如下图1、2：

图1 正面图

图2 立体图

2.4 计模拟算的过程

考虑研究桩基础沉降规律的经验，在满足真实情况下，可以按计算需要假设模拟的工况情况。在地质条件和受顶部受力不变的条件下，分别模拟桩长为35m，40m，45m，50m，55m,60m 沉降的规律。由于桩沉降所受原因多，本文主要在上一步计算基础之上，分别对修改桩基础端部半径0.5m，1m，1.5m，2m，2.5m。在以上计算基础上，对桩基础沉降问题，在桩急促顶部分别施加1m，2m，3m，4m，5m，6m，7m，8m，9m，10m 的岩土。综合以上各种计算结果，从而取得其负摩阻力的变化规律，在实际的桩基础设计和施工中利用负摩阻力的变化规律。

2.5 计算结果分析

35 米桩半径为0.5 米时，在地质条件和受顶部受力不变只改变桩基础顶端压覆岩土厚度条件下，从计算结果我们可以看出随着压覆岩土厚度的增加，桩基础的沉降量不断加大。

从计算结果得出，相同桩基础半径下桩基础的沉降不但与桩周负摩阻力有关还与桩基础顶端压覆岩土的压缩量有关。土的压缩量如下图3：

图3

参考上述表格，模型计算得出在35m 桩基础条件下在不同桩基础半径下的沉降量，从模拟结果我们可以得出：

（1）所有相同桩基础直径下，桩基础下沉量都是在不断增加的。

（2）随着桩基础直径的变大，桩基础直径大的总体沉降要比小的桩径大。

桩基础的桩长不同但桩径和桩基础顶端压覆岩土相同情况下，计算取桩径为0.5m 且顶端压覆岩土为1m的沉降量，其变形沉降量图如下图4：

从图4中得出在桩基础不同且其他条件相同情况下，随着桩基础桩长的增大，沉降量也是在增大的。

图4

在桩径相同同时改变桩长和覆土的情况下，沉降量表格如下图5：

从图5 中得出在桩基础桩径相同条件下，随着桩基础桩长增长，沉降量总体是在增加的。

图5

结语：

桩基础设置单元体单一且结构较为简单,由于桩基础周边介质( 岩土) 复杂性,无论是桩基础的承载力计算理论，还是桩基础沉降计算分析方法均有待进一步完善。

摩擦桩基沉降是复杂问题，目前规范推荐的是分层总和法,对于桩基础长特别是桩周边岩土条件较好的长桩基础,其模拟单元体的计算沉降量与实际的下沉量相差较大，主要原因是实际桩基础顶部所受的力传递投影面积较大且产生附加应力较小，同时沉降经验系数存在局限性。

桩基础和桩周岩土共同作用的计算研究较多,计算软件和计算理论也比较多。本文主要介绍了ANSYS 软件在计算桩基础和土共同作用的负摩阻力的应用,本方法简便易行且免去了编辑程序代码的编辑过程,进而极大的提高了计算基准度和效率。关于建立的三维模型问题的计算中，接触面设置比较困难且模型所需的摩擦系数也较难确定，建立的模型计算需耗费大量时间且如果建立的模型计算参数设置不正确,容易造成求解不收敛。本文认为在运用ANSYS 软件分析计算桩基础和岩土共同作用时,一定要根据模型计算的选择且确定模型计算时所需岩土、物理及力学参数。

使用仿真模拟计算技术能有效得出人工计算不太容易完成的仿真模拟计算任务，能为土木工程及相关工作提供了有力的计算工具及方法。