论文部分内容阅读
【摘要】由于静压管桩静载荷试验确定单桩极限承载力具有局限性，因此可以利用有限元分析方法作为单桩极限承载力静载荷试验的补充。本文结合实际工程，利用有限元分析软件，建立实体几何模型，进行单桩静载荷试验的数值模拟。结果表明，利用有限元软件所得的单桩静载荷试验q-s曲线与实测曲线基本一致。从而为静压管桩设计提供重要依据。
【关键词】有限元；单桩极限承载力；静载荷试验；数值模拟
1 引言
有限元法简言之为数值计算离散化方法，它从变分原理出发，把泛函能量积分的极值问题转化为一组多元线形方程组来求解。从物理和几何角度来讲，有限元方法被称作矩阵方法在结构力学和弹塑性力学领域的发展和应用。有限元方法解决结构问题的基本思想是将该弹塑性体离散分解成有限个小单元体，对于每个单元体，采用有限个确定参数来描述它的力学特性，而对于整个连续弹塑性体的力学特性可认为这些小单元体力学特性按照一定规律进行迭加，从而得出整个连续体的力平衡与连续性关系。
从有限元法应用上讲，最早是采用有限元法进行桩的静载分析，C.S.Desai(1972)等人曾用平面应变有限元法分析了桩基的荷载与变形特性，分析中对土体及桩-土接触面单元均采用双曲线形的应力-应变关系；黄河水利委员会科研所等单位也曾采用双曲线形的桩-土接触面单元有限元法对单桩的竖向承载力进行分析计算。
2 模型的建立
2.1 简化处理
要对静压管桩进行分析，就必须建立模型，用有限元软件分析静压管桩的单桩承载力，从而作以下假设：1、土层是连续的，没有突变；2、假定土体为理想的弹塑性体；3、静压管桩的材料是均质的、相同的；4、假定桩体为线弹性体，符合广义胡克定律；5、假定在垂直荷载作用下，荷载面和基土之间、桩与周土之间不产生相对滑移，其接触面上的节点在变形过程中始终保持接触。
2.2 桩-土单元模型的选择
在有限元单元库中，可用于模拟桩-土材料的单元很多，比如SOLID45，SOLID65，SOLID85等实体模型及用于模拟对称结构的平面模型PLANE42，PLANE82，PLANE182等单元类型。
根据上面2.1提到的简化处理，我们可以将三维实体模型简化为一个二维轴对称结构，因此本文有限元模型中的单元类型选用PLANE42的平面实体单元。
2.3 有限元模型的参数及边界条件
桩体视为线弹性体，土体简化为非线性弹塑性体，采用有限元模拟分析程序中的Drucker-Prager模型来模拟土体的非线性。划分的桩基单元桩周土体范围大于10倍桩径，桩端土体范围大于1.5倍桩长。在模拟的过程中桩周土体参数依据勘察的地质情况取定。
土的边界条件：土体边界用垂直方向滑动，水平方向固定，土体底面三个方向固定。桩基的约束设置为：桩基上表面(地面)为自由面，对称面设置为滑移约束，其余各面均为固定约束。
3 工程实例及结果分析
3.1 工程概况
沈阳某工程，拟建13层住宅楼，基础采用预应力高强混凝土管桩（PHC桩），其桩长为13000mm，桩径Φ为400mm，桩身混凝土强度等级C80。单桩竖向承载力设计值为1200kN。勘察场地地层的构成主要由第四纪杂填土、粉质粘土、中粗砂、砾砂等组成。
土的部分物理力学性质如表1所示。
3.2 单桩静载荷试验有限元结果分析
为了检测桩基静载荷试验有限元分析的准确性，将桩顶荷载-沉降曲线数据的有限元计算值和桩的静载荷试验实测值进行比较，见图1。静压管桩载荷试验每级加载的时间为2小时，有限元模拟的整个加载过程可以看作是准静态过程，因此模拟的加载过程仅仅考虑了逐步加载的过程。加载过程一共设定了11级加载步，第一级荷载为0 kN，第二级开始加载，荷载为480 kN，第二级为720 kN，以后每级加240 kN，依次加到2400 kN。
从图1中可以看到：初始阶段土体处于弹性变形状态，随着荷载的增加土体进入塑性变形状态。对比图中的两条曲线，可以看出两条曲线基本吻合。
但是我们可以看到两条曲线并不完全一致，主要原因有以下几个方面：
（1）在现场做出的静载荷试验并不是完全准确，由于试验中操作和观测误差引起的，其中位移表由于精度不高也有可能引起一定的误差；
（2）由于计算中模型的各种材料参数取值不是太精确引起的，这使试验结果与计算结果有一定的误差。
（3）和模型的简化处理有关，首先桩周土体本构关系非常复杂，并不完全是D-P理想弹塑性材料，而桩体也并不是完全的线弹性体。
虽然计算模型存在着一定的误差，但模型计算所得的q-s曲线正确反映了静压桩荷载-沉降关系的规律。
4 结语
文章通过有限元软件分析了单桩静载荷试验，并通过对计算参数的分析和讨论，结果表明利用有限元方法确定单桩极限承载力是一种行之有效的方法。
【关键词】有限元；单桩极限承载力；静载荷试验；数值模拟
1 引言
有限元法简言之为数值计算离散化方法，它从变分原理出发，把泛函能量积分的极值问题转化为一组多元线形方程组来求解。从物理和几何角度来讲，有限元方法被称作矩阵方法在结构力学和弹塑性力学领域的发展和应用。有限元方法解决结构问题的基本思想是将该弹塑性体离散分解成有限个小单元体，对于每个单元体，采用有限个确定参数来描述它的力学特性，而对于整个连续弹塑性体的力学特性可认为这些小单元体力学特性按照一定规律进行迭加，从而得出整个连续体的力平衡与连续性关系。
从有限元法应用上讲，最早是采用有限元法进行桩的静载分析，C.S.Desai(1972)等人曾用平面应变有限元法分析了桩基的荷载与变形特性，分析中对土体及桩-土接触面单元均采用双曲线形的应力-应变关系；黄河水利委员会科研所等单位也曾采用双曲线形的桩-土接触面单元有限元法对单桩的竖向承载力进行分析计算。
2 模型的建立
2.1 简化处理
要对静压管桩进行分析，就必须建立模型，用有限元软件分析静压管桩的单桩承载力，从而作以下假设：1、土层是连续的，没有突变；2、假定土体为理想的弹塑性体；3、静压管桩的材料是均质的、相同的；4、假定桩体为线弹性体，符合广义胡克定律；5、假定在垂直荷载作用下，荷载面和基土之间、桩与周土之间不产生相对滑移，其接触面上的节点在变形过程中始终保持接触。
2.2 桩-土单元模型的选择
在有限元单元库中，可用于模拟桩-土材料的单元很多，比如SOLID45，SOLID65，SOLID85等实体模型及用于模拟对称结构的平面模型PLANE42，PLANE82，PLANE182等单元类型。
根据上面2.1提到的简化处理，我们可以将三维实体模型简化为一个二维轴对称结构，因此本文有限元模型中的单元类型选用PLANE42的平面实体单元。
2.3 有限元模型的参数及边界条件
桩体视为线弹性体，土体简化为非线性弹塑性体，采用有限元模拟分析程序中的Drucker-Prager模型来模拟土体的非线性。划分的桩基单元桩周土体范围大于10倍桩径，桩端土体范围大于1.5倍桩长。在模拟的过程中桩周土体参数依据勘察的地质情况取定。
土的边界条件：土体边界用垂直方向滑动，水平方向固定，土体底面三个方向固定。桩基的约束设置为：桩基上表面(地面)为自由面，对称面设置为滑移约束，其余各面均为固定约束。
3 工程实例及结果分析
3.1 工程概况
沈阳某工程，拟建13层住宅楼，基础采用预应力高强混凝土管桩（PHC桩），其桩长为13000mm，桩径Φ为400mm，桩身混凝土强度等级C80。单桩竖向承载力设计值为1200kN。勘察场地地层的构成主要由第四纪杂填土、粉质粘土、中粗砂、砾砂等组成。
土的部分物理力学性质如表1所示。
3.2 单桩静载荷试验有限元结果分析
为了检测桩基静载荷试验有限元分析的准确性，将桩顶荷载-沉降曲线数据的有限元计算值和桩的静载荷试验实测值进行比较，见图1。静压管桩载荷试验每级加载的时间为2小时，有限元模拟的整个加载过程可以看作是准静态过程，因此模拟的加载过程仅仅考虑了逐步加载的过程。加载过程一共设定了11级加载步，第一级荷载为0 kN，第二级开始加载，荷载为480 kN，第二级为720 kN，以后每级加240 kN，依次加到2400 kN。
从图1中可以看到：初始阶段土体处于弹性变形状态，随着荷载的增加土体进入塑性变形状态。对比图中的两条曲线，可以看出两条曲线基本吻合。
但是我们可以看到两条曲线并不完全一致，主要原因有以下几个方面：
（1）在现场做出的静载荷试验并不是完全准确，由于试验中操作和观测误差引起的，其中位移表由于精度不高也有可能引起一定的误差；
（2）由于计算中模型的各种材料参数取值不是太精确引起的，这使试验结果与计算结果有一定的误差。
（3）和模型的简化处理有关，首先桩周土体本构关系非常复杂，并不完全是D-P理想弹塑性材料，而桩体也并不是完全的线弹性体。
虽然计算模型存在着一定的误差，但模型计算所得的q-s曲线正确反映了静压桩荷载-沉降关系的规律。
4 结语
文章通过有限元软件分析了单桩静载荷试验，并通过对计算参数的分析和讨论，结果表明利用有限元方法确定单桩极限承载力是一种行之有效的方法。