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港口软土区超长桩承载特性有限元分析① 　　摘 要：该文基于港口区工程地质条件以及结合实际工程中高桩码头中超长桩的尺寸、桩身材料属性，在不考虑软土地区群桩效应及水平荷载作用下，利用ABAQUS有限元软件简化建立了高桩码头竖向单桩二维桩―土结构体系受力模型。得出竖向荷载作用下桩土位移及应力图，了解桩侧土、桩端土层应力分布。分析曲线与桩身侧摩阻力分布曲线，了解在位于港口软土地区中高桩码头超长桩在较高荷载下的桩土变形性状。同时结合工程实例，提出建议在超长桩入土一定深度加强构造措施。 　　关键词：超长桩 竖向荷载 ABAQUS 桩土变形 　　中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（b）-0005-03 　　伴随着“一带一路”政策提出，港口基础建设事业更加有着蓬勃的发展。高桩码头中采取的大直径超长桩可以提供非常大的承载力、沉降小而成为上海港口区主要码头形式。因此大直径高桩在软土地区运用非常广泛并成为一种趋势，桩基受到竖向的上部荷载以及桩土间作用，随着桩长的不断增加，桩土相对刚度减小，其受力机理十分复杂。对与软土区超长桩基于现场载荷试验所得到的数据分析较多，该文通过ABAQUS软件建立桩―土结构体系模型得到桩土之间的应力与位移，简化复杂环境作用下竖向单桩桩体应力应变情况，结合实际工程中的数据分析，更加全面的了解超长桩的受力情况。 　　1 研究方案与步骤 　　根据相关设计资料与规范，对高桩码头超长桩进行模型简化。通过查阅港口地区大致土层分布以及简化桩基础受力。考虑到由群桩向大直径超长单桩发展是目前的趋势[1]，所以该论文对大直径超长桩的理论分析主要以分析单个大直径超长桩为主。对于单个的大直径超长桩的轴向受荷有限元分析，可简化为平面轴对称问题进行分析。从整体上来看考虑实际情况和让ABAQUS更好的收敛从以下分析：第一，码头在土体自重应力下的地应力平衡[2]；第二，模拟高桩码头在工作期间的荷载作用下的桩-土位移状态分析。 　　2 建立高桩码头受力模型 　　ABAQUS是国际上公认的最优秀的非线性分析软件，其能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题，可以有效的模拟港口深层软土地基条件下超长桩在复杂荷载作用中的受力情况。桩周土体可划分为一般的平面实体单元。土体采用Mohr-Coulomb屈服准则，桩土间用Surface-to-Surface接触模型，摩擦特性选择函数Penalty，桩端与土体采用Tie约束这种模型在岩土工程中应用较多。 　　通过查阅相关的文献与勘探资料，进行相应简化得出以下数据图表（见表1，表2）。 　　3 数值模拟分析 　　3.1 竖向荷载变化下的桩土响应 　　分析深基础作用下，超长桩在软土地基下的结构效应。总结分析地层结构影响工程稳定性、影响工程结构受力变形的机理计算中假定土体为均质各向同性的弹塑性体，服从Mohr-Coulomb准则。土体侧面和底部的约束分别为X方向和Y方向的约束（图1，图2）。 　　在软土地区中，竖向受荷单桩多为摩擦型桩，桩的承载力由桩与土的摩阻力来提供，而桩土间的摩阻力通过土体变形来体现，随变形增大而发挥，由图1模型可以得出桩―土体位移变形从上到下变形逐渐变小，超长桩侧摩阻力主要由桩顶竖向荷载所激发。软土地区中超长桩侧模阻力的发挥中下部应力分布较大，上部应力承担较小。桩长越长，桩身直径越大，所接触的土体面积越大，在单位桩长带动周围的土体越多，对土的作用影响越大，桩土之间的作用更加明显（如图3所示）。 　　图4中可以得出在横向不作用力，只在竖向荷载作用下，超长桩桩身、土体水平抗力主要集中在桩身和土体浅部位置。沉桩会引起桩周土体隆起。理想弹塑性模型的土的最大隆起量大约是线弹性模型的1.5倍左右。最大隆起量与桩径的比值为7%～10%左右，发生在1～2倍桩径处[2]。理想状态下当桩身尺寸和土体参数一定时，桩周土体抗力的峰值和驻点位置不随外荷载的变化而改变[3]。桩的侧模阻力主要分布在桩身的中下部，分布近似R形分布，随着深度增加侧模阻力也呈非线性增加。在工程设计时，对竖向耦合作用的超长桩浅部桩周土体以及桩身的特定位置进行补强，以使桩身轴力和土体应力能往较深处传递，防止桩身局部破坏和土体屈服破坏。随桩顶荷载增加，桩身某一位置处桩土相对位移的递增幅度呈先增大后减小的趋势[4]。 　　桩侧阻力与端阻力的发挥过程就是桩土体系荷载的传递过程。桩顶受到竖向压力时，桩身压缩并向下压缩并向下位移，桩侧表面与土间发生相对运动，桩侧表面开始受土的向上摩擦阻力，荷载通过侧阻力向桩周土中传递，就使桩轴力与桩身的轴力与桩身压缩变形量随深度递减。随着桩顶荷载水平的增加，桩身上部土层侧摩阻力增幅比下部土层侧摩阻力增幅逐渐减小。在工作荷载下，对于一般摩擦型桩，侧阻