CN108661089A - 一种膨胀土地区桩基极限胀切力数值分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膨胀土地区桩基极限胀切力数值分析方法，首先基于膨胀土室内试验结果，获得膨胀土的参数指标，包括强度参数、膨胀率参数以及基本物理参数指标，如密度、模量等；之后，利用有限元数值分析软件建立输电线路钻孔灌注桩基础及膨胀土地基模型，通过设置材料属性及桩土接触、建立地应力平衡分析步及膨胀计算分析步，并在膨胀计算分析步中改变膨胀土地基地表大气影响层深度范围内土体的含水率，从而模拟膨胀土由于吸湿膨胀而对桩身产生的胀切力。本发明借助数值分析方法，基于室内试验获取的计算参数，简单有效地计算并分析了不同桩长、不同桩径、不同含水率、不同大气影响层深度条件下的桩基极限胀切力变化规律，从而为桩基设计及优化提供参考依据。

Description

一种膨胀土地区桩基极限胀切力数值分析方法

技术领域

本发明属于工程应用及膨胀土地区桩基设计领域，尤其是涉及一种膨胀土地基桩基极限胀切力数值分析方法。

背景技术

膨胀土是一种具有很强吸水膨胀体积增大强度降低、失水收缩体积缩小强度提高的高塑性粘性土。膨胀土在我国广泛及其分布，相关研究资料显示，从河北、河南、到四川、云南、贵州等地均不同程度的分布着强弱不同的膨胀土。而这些地区深处祖国内陆，气候、降雨季节分明，因此自然状态下的膨胀土常处于非饱和状态，并在一定含水率范围内波动。而膨胀土具有极强的水敏性，含水率的波动将对膨胀土地基上的建筑物和构筑物造成及其严重的损坏，甚至引起工程事故，造成人员伤亡和财产损失。

现阶段在膨胀土地区的工程建设中，应对膨胀土胀缩效应对工程构筑物危害的主要方法是采用桩基础。桩基础具有施工方便、对各种地质条件适应性强等特点，是实际工程中经常采用的一种基础形式。而现行《建筑桩基技术规范》中规定，对于膨胀土地区的短桩基础，在工程设计时应验证其抗拔力满足要求，而在该计算方法中的一个重要设计参数便是极限胀切力。规范中规定极限胀切力应由桩基现场浸水试验获得，但由于现场试验费时费力、影响因素多等等，不便于工程大规模应用，且对于桩基胀切力的影响因素的分析，亦不易单纯依据现场试验成果，不然那样将造成巨大的工程成本支出。

近些年，随着科学技术及计算机技术的发展和应用，数值计算方法在工程应用、科研研究等方面的应用日益成熟，获得了广大科研工作者和工程技术人员的认可。因此，可基于有限元数值分析方法，对于膨胀土地区桩基胀切力的分布规律及影响因素等问题进行研究，从而为膨胀土地区的桩基设计、优化提供参考依据。

根据基本力学原理可知，当膨胀土地区地表大气影响层深度(如附图1中h_a)范围内的土体吸湿膨胀时，会造成在大气影响层深度范围内的土体对桩身产生向上的侧摩阻力q_ei，而大气影响层以下的土体则产生向下的侧摩阻力q_si，从而抵消一部分上部的抗胀拔力。在此种情况下，假如不约束桩顶的位移的话，桩身将产生竖向隆起，假如约束桩顶的竖向位移，便可得到桩顶的反力，从而可根据式(1)计算出极限胀切力:

式中：q_ei为桩侧大气影响层深度范围内的极限胀切力；F_ef为桩顶极限胀拔力，可通过现场浸水试验或数值模拟获得；D为桩身直径；h_a为大气影响层深度。

综上所述，本发明可基于有限元数值分析软件ABAQUS建立膨胀土土体模型及桩基模型，通过约束桩顶竖向位移、改变膨胀土土体地表大气影响层深度范围内的含水率分布情况，借助温度场等效湿度场理论，模拟出膨胀土由于含水率变化而产生的膨胀量，从而模拟出桩顶的反力，再根据式(1)便可计算得到极限胀切力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种针对膨胀土地区桩基极限胀切力的数值模拟方法，解决了在实际工程中，由于地表大气影响层深度范围内膨胀土吸湿膨胀而导致桩身上拔，从而对桩顶建筑物和构筑物产生竖向上拔力的计算问题，并可借助此方法，进一步分析不同桩长、不同含水率、不同桩径、不同地区(不同大气影响层深度)时桩基受到的胀拔力及极限胀切力的变化规律，从而为膨胀土地区的桩基设计、优化提供参考依据。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种膨胀土地区桩基极限胀切力数值分析方法，主要由以下步骤组成：

步骤1、建立膨胀土土体模型及桩基模型：根据实际工程中桩基尺寸，利用有限元数值分析软件ABAQUS，建立桩基模型和膨胀土土体计算模型(如图2所示的模型)，其中膨胀土地基尺寸设置为：宽度取8D-9D，深度取1.5L，D为桩径，L为桩长；

步骤2、分别建立膨胀土土体和桩基材料属性：根据不同含水率条件下膨胀土的室内三轴试验和室内膨胀率试验，得到不同含水率条件下土体的强度参数、膨胀率等参数。根据室内试验，获得膨胀土土体基本物理参数，包括颗粒比重、天然密度、干密度、天然含水率等参数。根据以上试验结果，设置膨胀土地基土体材料模型为Mohr-Coulomb模型(属于岩土工程学科学术用语)，并设置在不同温度(含水率)条件下的线膨胀率参数，桩基础为理想弹性体，材料参数取钢筋混凝土材料参数，并将材料属性分别赋予土体模型和桩基模型。

步骤3、建立如下分析步：

c.地应力平衡分析步：通过在ABAQUS中施加预定义地应力场的方法，消除由于施加重力后引起的膨胀土地基和桩基的变形；

d.膨胀分析步：用于计算由于含水率改变而导致的膨胀土土体膨胀变形，从而获得在约束桩顶竖向位移的基础上桩顶反力，进而根据背景技术中给出的式(1)计算极限胀切力；

步骤4、设置桩土接触属性：设置桩土法向接触为硬接触，切向为罚接触，并设置接触面的摩擦系数为从而模拟出桩土接触面的摩擦系数随含水率增大而减小的特性；

步骤5、设置模型边界条件等：对于膨胀土地基及桩基在地应力平衡分析步施加重力加速度g＝9.8m/s²，边界条件设置为：约束土体四周水平位移，约束模型底部位移，并在膨胀计算分析步中约束桩顶竖向位移。此外，由于对称性，可取桩基和土体的1/4模型(图2所示三维模型)进行分析，并在对称面设置对应对称边界条件。最后，通过在Load模块的预定义场中，定义膨胀土地基土体地表大气影响层深度范围内的温度(含水率)分布，并在膨胀计算分析步改变温度(含水率)数值，从而模拟实际工程中含水率的变化；

步骤6、进行网格划分：分别对膨胀土地基模型及桩基础模型的边选取合适的尺寸进行布种，并在桩基础周围加密种子，以提高计算精度。设置网格划分方式，选择单元类型为三维八结点一次积分实体单元C3D8，分别对膨胀土地基模型和桩基础模型划分网格；

步骤7、建立计算任务，提交运算，并对结果进行处理分析：主要分析不同含水率、不同桩长、不同桩径、不同大气影响层深度等条件下的极限胀切力，从而为膨胀土地区桩基优化提供参考依据。

本发明的有益效果是：

本发明针对由于膨胀土地基地表大气影响层深度范围内膨胀土土体吸湿膨胀而导致的桩基极限胀切力计算分析问题，目前为止获得膨胀土地区的桩基极限胀切力的方法仍主要依赖于现场试验，但由于现场试验成本高、周期长、不确定性影响因素多等等原因，往往导致其难以大规模开展。因此，本发明借助数值分析方法，基于室内试验获取的计算参数，简单有效的计算并分析了不同桩长、不同桩径、不同含水率、不同大气影响层深度条件下的桩基极限胀切力变化规律，从而为桩基设计及优化提供参考依据。

附图说明

附图1膨胀土吸湿膨胀时桩基受力示意图

附图2模型尺寸及网格划分情况

附图3桩侧胀切力时程曲线

附图4不同含水率条件下桩身轴力分布情况

附图5桩侧极限胀切力随含水率的变化情况

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1至附图5，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面以一直径为1.2m，桩长为15m的桩基础为例，说明本发明的适用性及具体计算分析步骤。

步骤1、建立计算模型：根据对称性，分别取桩基础及土体的1/4利用ABAQUS软件进行建模，模型尺寸及网格划分如图2所示。

步骤2、分别建立膨胀土地基土体及桩基材料属性模型，具体包括如下步骤：

S1、对非饱和膨胀土进行室内试验，主要包括土体密度试验、含水率试验、液塑限试验、压缩性试验、膨胀性试验和三轴试验的基础物理力学试验，以得到不同初始含水率条件下的非饱和膨胀土地基的相关物理参数包括内聚力、内摩擦角、土体密度、天然含水率、液塑限参数、膨胀特性参数和压缩特性参数；

根据上述基础物理力学试验结果，得到非饱和膨胀土地基模型的材料属性如下表1所示；

S2、可利用ABAQUS软件中的温度膨胀效应等效替换膨胀土由于湿度场(含水率)改变而因此的膨胀变形，具体计算方法如下:

式中：α为湿度线膨胀系数，δ_H为无荷载膨胀率，υ为泊松比，Δw为含水率变化量。

进而可得温度线膨胀系数β：

式中：Δw为含水率变化量，ΔT为温度变化量。

基于有限元温度场等效湿度场相关理论，根据膨胀土室内膨胀率试验得到不同含水率条件下的膨胀率，并将其进行数据拟合，从而得到不同含水率条件下膨胀土土体的无荷载膨胀率，再根据公式(2)及(3)计算得到等效湿度及温度线膨胀系数结果如表2所示；

S3、根据实际工程情况，确定杆塔基础模型材料的密度、弹性模量和泊松比，具体杆塔基础模型的材料属性如下表3所示；

S4、分别对桩基础模型和膨胀土地基模型建立相对应的材料模型，其中膨胀土土体模型选取弹塑性摩尔-库伦模型，桩基础模型选取理想弹性模型，并分别输入相应的材料参数；

步骤3、装配模型并设置接触面属性：将桩基模型和膨胀土地基模型装配在一起，并设置两者之间的接触面属性，法向选择硬接触，切向选择罚接触，并设置摩擦系数为从而反映出桩土接触界面摩擦系数随含水率增大而减小的特性；

步骤4、分别建立以下分析步：

S1、地应力平衡分析步：建立ABAQUS中的地应力平衡分析步，并在该分析步中施加重力荷载，进而计算消除由于重力而引起的非饱和膨胀土地基的变形；

S2、膨胀计算分析步：通过在本分析步中改变地表大气影响层深度范围内膨胀土地基的含水量，从而模拟计算膨胀土由于吸水膨胀而对桩基产生的胀切作用；

步骤5、对计算模型施加荷载、边界条件等，具体来说包括如下：

S1、对计算模型在地应力平衡分析步中施加重力加速度，从而对整个模型进行地应力平衡，消除由于施加重力后引起的变形；

S2、设置边界条件：约束膨胀土地基模型圆弧形外边界的水平位移，约束底部三个方向的位移；对于膨胀土地基模型和钻孔灌注桩基础模型的对称面设置对称面边界条件；此外，在膨胀计算分析步中约束桩顶竖向位移，从而监测桩顶反力；

S3、设置预定义温度场：利用ABAQUS中的预定义温度场模块，分布在initial分析步中定义膨胀土地基模型的初始温度为18，也即表示膨胀土地基的初始含水率为18％；然后在膨胀计算分析步中改变地表大气影响层深度范围内的土体含水率，分别改为20,22,24,26,28,31，依次模拟地表土体不同吸湿程度后对钻孔灌注桩产生的胀切力变化情况；

步骤5、对计算模型进行网格划分：

分别对膨胀土地基模型和钻孔灌注桩基础模型进行布种，并对膨胀土地基模型在桩身周围区域进行加密布种，从而提高计算精度和计算效率。此外，设置单元类型为C3D8，分别对计算模型进行网格划分，结果如附图2所示。

步骤6、建立计算任务，并提交计算，提取并分析计算结果。主要分析内容包括：

(a)提取不同含水率条件下桩顶反力随时间的变化情况，并按照式(1)计算求得桩侧胀切力的时程曲线，结果如附图3所示；

(b)提取不同含水率条件下桩身轴力分布情况，从而得到桩身轴力随膨胀土吸湿膨胀过程的演变规律，获得桩基抗拔工作机理，结果如附图4所示；

(c)进一步地，提取附图3中不同含水率条件下的胀切力最大值作为极限胀切力结果，便可得到极限胀切力随含水率的变化情况，结果图附图5所示。

步骤7、更进一步地，分别改变桩身长度、桩身直径，再按照步骤1至步骤6所示顺序，依次建模分析，便可获得桩侧极限胀切力随桩长、桩径的变化规律。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种膨胀土地区桩基极限胀切力数值分析方法，主要由以下步骤组成：

步骤1、建立膨胀土土体模型及桩基模型：

根据实际工程中桩基尺寸，利用有限元数值分析软件ABAQUS，建立桩基模型和膨胀土土体计算模型，其中膨胀土地基尺寸设置为：宽度取8D-9D，深度取1.5L，D为桩径，L为桩长；

步骤2、分别建立膨胀土土体和桩基材料属性：

根据不同含水率条件下膨胀土的室内三轴试验和室内膨胀率试验，得到不同含水率条件下土体的强度参数、膨胀率等参数；根据室内试验，获得膨胀土土体基本物理参数，包括颗粒比重、天然密度、干密度、天然含水率等参数；根据以上试验结果，设置膨胀土地基土体材料模型为Mohr-Coulomb模型，并设置在不同温度(含水率)条件下的线膨胀率参数，桩基础为理想弹性体，材料参数取钢筋混凝土材料参数，并将材料属性分别赋予土体模型和桩基模型；

步骤3、建立如下分析步：

a.地应力平衡分析步：通过在ABAQUS中施加预定义地应力场的方法，消除由于施加重力后引起的膨胀土地基和桩基的变形；

b.膨胀分析步：用于计算由于含水率改变而导致的膨胀土土体膨胀变形，从而获得在约束桩顶竖向位移的基础上桩顶反力，进而根据式(1)计算极限胀切力；

步骤4、设置桩土接触属性：

设置桩土法向接触为硬接触，切向为罚接触，并设置接触面的摩擦系数为从而模拟出桩土接触面的摩擦系数随含水率增大而减小的特性；

步骤5、设置模型边界条件等：

对于膨胀土地基及桩基在地应力平衡分析步施加重力加速度g＝9.8m/s²，边界条件设置为：约束土体四周水平位移，约束模型底部位移，并在膨胀计算分析步中约束桩顶竖向位移；此外，由于对称性，可取桩基和土体的1/4模型进行分析，并在对称面设置对应对称边界条件；最后，通过在Load模块的预定义场中，定义膨胀土地基土体地表大气影响层深度范围内的温度(含水率)分布，并在膨胀计算分析步改变温度(含水率)数值，从而模拟实际工程中含水率的变化；

步骤6、进行网格划分：

分别对膨胀土地基模型及桩基础模型的边选取合适的尺寸进行布种，并在桩基础周围加密种子，以提高计算精度；设置网格划分方式，选择单元类型为三维八结点一次积分实体单元C3D8，分别对膨胀土地基模型和桩基础模型划分网格；

步骤7、建立计算任务，提交运算，并对结果进行处理分析：

主要分析不同含水率、不同桩长、不同桩径、不同大气影响层深度等条件下的极限胀切力，从而为膨胀土地区桩基优化提供参考依据。