某大型圆形煤场试桩有限元分析

【摘 要】 通过对某大型圆形煤场试桩进行有限元分析，得出模拟试桩结果，再与实际试桩结果进行对比，以确定计算参数的选取正确与否是十分必要的；同时得出一些有益的结论，供类似工程参考。

【关键词】 试桩 灌注桩 有限元分析

1 概述

使用有限元软件进行数值计算时，尤其是涉及到土体弹塑性非线性计算时，计算结果的真实与否很大程度上决定于计算参数的选取正确与否，因此，利用有限元模拟试桩过程，再与试桩报告进行对比，以确定计算参数的选取正确与否是十分必要的。

根据某电力设计院提供的《试桩总报告》，对试桩过程进行有限元模拟，从而得出合理的桩土接触参数，对后续的有限元计算具有重要意义。

2 计算模型

选取《试桩总报告》中的灌注桩（Φ1000mm）进行模拟计算分析。

2.1 几何尺寸

试桩区位于煤场东南侧空地，基岩埋深在23.0m～26.0m之间。该试桩区地质剖面示意图如图1，将土分为5层。土层1为素填土、粉质粘土层，厚4m，土层2为淤泥质粘土层，厚16.5m，土层3为粉质粘土，厚3m，土层4为强风化花岗闪长岩，厚7m，土层5为微风化花岗闪长岩，厚10m。即土体沿厚度方向取40.5m，土体水平两个方向上各取20m。Φ1000mm灌注桩深入土层5中4m，桩身长27.5m。有限元模型见图2。

2.2 材料属性

灌注桩采用C35混凝土[1]。桩身材料为混凝土，采用线弹性本构模型，不考虑其开裂和塑性；土层采用理想弹塑性、D-P屈服准则和关联流动法则[2]。材料各项参数见表1。

由于计算中采用的是扩展的D-P塑性屈服准则，需要对原始的土层物理参数中c、φ值进行转化，转化公式如下：

式中：c―材料内聚力，―材料内摩擦角，―转化后的材料内摩擦角，―转化后的材料拉伸极限，K―流动应力比。

由于土体在进行力学参数测定时往往受到了不同程度的扰动，故在进行力学计算时需要对其弹性模量进行适当的修正。修正及转化后的土层物理参数和混凝土物理参数见下表2。

2.3 桩土相互作用参数

桩与土相互作用通过接触单元模拟，桩孔的开挖过程用生死单元模拟，同时考虑几何非线性大变形影响。土层与灌注桩之间相互作用参数为：桩身与土的极限侧摩阻力为100KPa，摩擦系数为0.5。

2.4 边界条件及荷载

有限元计算模型土层四周约束为关于X、Y方向的对称约束，底部为全约束，即三个方向的位移均约束；桩身与土体为摩擦接触。

首先计算土体自重，得到土层的初始应力场，导入土体应力平衡后，逐级施加单桩实际荷载，再逐级卸载。灌注桩施加荷载为12000KN。

3 试桩计算结果

灌注桩上试桩荷载为12000KN，有限元计算得到的灌注桩桩顶最大沉降为90.27mm，最大回弹量为33.24mm，回弹率为36.8%。实际试桩测得的灌注桩最大沉降为74.19mm，最大回弹量为32.82mm，回弹率为44.2%。有限元计算得到的最大沉降比试桩测得最大沉降大21.7%。有限元计算得到的灌注桩Q-S曲线见图3。

4 结语

通过有限元试桩计算结果和实际试桩实验结果比较可以得到：有限元模拟试桩的最大沉降均大于实际试桩的结果，Φ1000mm灌注桩桩顶最大沉降比实际试桩大21.7%。

计算结果说明，依据地质报告给出的土层的物理参数进行有限元计算所得土层和桩的沉降量是偏大的，说明我们的土层物理参数选取是偏于安全的，且得到的桩土相互作用参数可为后续的有限元计算提供参数支持；同时本次有限元计算分析也为类似工程提供了技术参考，具有一定的工程意义。

参考文献：

[1]GB 50010-2010，混凝土结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2010.

[2]费康.ABAQUS在岩土工程的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.