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1、第22卷第2期洛阳工学院学报Vol.22No.22001年6月JournalofLuoyangInstituteofTechnologyJune2001文章编号:1000-5080(2001)02-0074-04人工挖孔变形桩的三维有限元分析高笑娟,崔广仁,刘丰军(洛阳工学院建筑工程系,河南洛阳471039)摘要:变形桩是一种新的桩形。它改变了桩身截面的局部形状,同时具有摩擦桩和端承桩的优点。本文对大直径人工挖孔钢筋混凝土变形桩的荷载传递进行了三维有限元分析,结果表明变形桩在承力机理上显示出明显的优越性,它充分挖掘地基土的承载力,使
2、单桩承载力得到大幅度的提高。关键词:变截面桩;有限元;荷载传递桩;承载力中图分类号:TU473.13文献标识码:A0引言随着高层、超高层建筑及大型基础设施建设的日趋增多,作为重要基础类型的桩基础面临着荷载急[1]剧增加的巨大挑战。因此,探索新的途径,提高桩的承载力,已成为当前工程界的一个热门话题。本文提出的变形桩通过在桩身范围内不同土层多次局部扩大桩身截面,充分利用各土层的摩擦和端承作用,达到了在不增加桩长、不扩大桩径的情况下提高单桩承载力的目的。1计算模型及计算方案1.1桩及周围土体的尺寸目前,很多文献[1~4]已对各种桩型进行了广泛
3、研究,但多数是针对钻孔灌注桩和预制桩,对人工挖孔灌注桩的研究很少。我国中、西北部地区地质结构的特点大多数为结构性较强的粘土、粉质粘土覆盖区,适合于人工挖孔,且人工挖孔桩具有施工无噪音、成本低、工程进度快等优点,因而被广泛采用。本文分析采用的人工挖孔变形桩,桩身总长度为12m,考虑到人工挖孔的最小直径,桩径采用0.8m。扩孔三次,扩大头尺寸的设计以文献[5]中扩底桩的尺寸为依据。扩大头高度为1m,直径1.6m;文献[1,3]认为多级扩大头桩扩大头的最佳间距为扩大球体直径的1.25~1.5倍。因此,本文扩大头间距取1.5倍,即2.4m。桩四周土层厚度为4.
4、8m,桩底土层厚度3.2m。1.2计算模型[4~6]对桩基础进行有限元分析,一般是根据结构与荷载的对称性把三维问题简化成二维,用轴对称单元计算。但在实际工程中,由于施工偏差及土体性质的随机性,需用三维有限元分析才能更好的反映变形桩的工作性状。[6]Ottavani早在1975年就把桩连同地基划成六面体单元,进行了群桩的三维有限元分析,文献[7]对桩承台土的共同作用进行了三维有限元分析,而对单桩进行三维有限元分析的很少。本文采用三维八结点等参元,对桩和地基土进行离散。严格说来,地基土具有非线性特点,但在工作荷载下基本上是处于弹性范围内,土体的非线性
5、性质表现很不明显,土体内的塑性范围也很小。因此,可以忽略塑性变形导致的误差。为了简化计算,本文[7]用线弹性模型来模拟地基土和变形桩在工作荷载下的性状。由虚功原理导出单元的刚度矩阵为:eTk=BDBdxdydz其数值积分计算式为:基金项目:河南省教委科技攻关项目(98560004)作者简介:高笑娟(1973-),女,河南偃师市人,硕士生收稿日期:2000-12-27第2期高笑娟等:人工挖孔变形桩的三维有限元分析75333eTk=HiHjHmBBBJi=1j=1m=1单元平衡方程为:eeek=R迭加到结构平衡方程
6、:k=R式中D含有E和的6阶弹性矩阵B几何矩阵结点位移列阵R结点荷载列阵Hi,Hj,Hm高斯积分点的权系数值J雅可比行列式的值土层参数从上到下分布如表1(假定除去杂填土层)桩身混凝土的强度等级为C20,弹性模量3322GPa,泊松比0.2,密度2.510kg/m。表1土的物理力学参数3土层名称埋深/m弹性模量/MPa泊松比粘聚力/kPa内摩擦角/()密度/(kg/m)粉质粘土0~4600.31.1211.91粉质粘土4~7.4800.33.4211.91粘土7.4~20900.34.714.3
7、1.882网格的划分和边界条件的处理2.1网格的划分由于三维分析比二维分析复杂,计算工作量大,占用计算机内存较多,为了缩短计算时间,只取四分之一的模型进行了分析。又因为变形桩在承受荷载时,每个扩大头的下部都是应力集中的部位,因此,在划分网格时在扩大头的部位,桩和土体的网格都适当加密,其它部分的网格尺寸适当加大。这样既提高了计算的精度,又使计算工作量不增加太多。桩基划分为2490个单元,其中桩身单元465个,土体单元2025个,如图1所示。2.2边界条件的处理根据图1所示模型的几何特点,分析时采用圆柱坐标系,各节点的自由度如下:设第n个单元,节点i
8、、j只有竖向和径向两个自由度;节点k、l、o、p处于模型表面时自由度为零,处于模型内部时有竖向
