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自平衡试桩有限元模拟分析报告 1 有限元模型的建立 N2AT桩桩长33m，桩径1.5m，荷载箱埋设在距桩底3m处。荷载箱的厚度为0.4m。现场对桩身混凝土取样，经室内实验测得桩身混凝土的弹性模量Ec=31.6Gpa，泊松比v=0.187。桩穿过的地层资料见表1。 表1 N2AT号试桩地层表 层次 分层代号 土层名称 土层厚度 1 2-3 粉、细砂 2.47 2 4-3-3 弱风化泥质粉砂岩 12.1 3 4-2 强风化岩 4.3 4 4-3-3 弱风化泥质粉砂岩 1.3 5 4-2 强风化岩 3.0 6 4-3-3 弱风化泥质粉砂岩 6.4 7 4-4-3 微风化泥质粉砂岩 3.43 将单桩静荷载试验简化为轴对称模型来模拟，为了很好地反映现场实际情况，桩土间设置了2cm厚的泥皮，桩底设置了10cm的沉渣。 有限元网格图如图1所示。桩周土分析范围取10倍桩直径，即15m。至桩轴中心线到桩周土边界水平距离为15.75m。桩端以下土体分析范围也取10倍桩直径，即15m。图2为荷载箱、桩底沉渣、桩侧泥皮网格详图。 有限元模型的边界条件为：桩周土边界约束水平方向位移，即Y=0；桩底土边界约束竖向位移，即Z=0；模型的初始条件为自重应力场，如图3所示。 在荷载箱位置对上下两段桩同时作用均布荷载10MPa，转换为轴力为17.7MN 分40个荷载步逐步施加。 图1 有限元网格图 图2 荷载箱、沉渣、泥皮详图 图3 自重应力场云图 桩周岩土体采用莫尔-库仑材料模型，桩体采用线弹性模型，桩周岩土体泥皮采用塑性双折线模型，沉渣采用线弹性模型。 莫尔-库仑材料模型满足不相关联的流动法则，塑性双折线模型满足von-Mises屈服准则和相关联流动法则。表1为材料计算参数表。 表1 材料参数表 岩土体 分层代号 土层名称 弹性模量 /MPa 泊松比 密度 kg/m3 摩擦角 粘聚力 kPa 剪胀角 2-3 粉、细砂 8 0.3 1810 28 0.1 5 4-2 强风化岩 15000 0.3 2300 44 1300 8 4-3-3 弱风化泥质粉砂岩 20000 0.3 2300 45 1600 8 泥皮 分层代号 土层名称 弹性模量 MPa 泊松比 密度 kg/m3 初始屈服应力 kPa 应变硬化模量 最大允许塑性应变 2-3 粉、细砂 0.5 0.3 2000 40 0 15 4-2 强风化岩 2.5 0.3 2000 180 0 15 4-3-3 弱风化泥质粉砂岩 3.0 0.3 2000 380 0 15 沉渣和桩体 分层代号 土层名称 弹性模量 MPa 泊松比 密度 kg/m3 　 　 　 4-3-3 弱风化泥质粉砂岩 8 0.3 2000 　 　 　 　 桩体 31600 0.187 2500 　 　 　 2 计算结果分析 2.1 P-S曲线比较 图4 P-S曲线图 图4为荷载与荷载箱向上位移、向下位移和桩顶位移的实测值与计算值的比较图。从图中可以看出，在相同的荷载作用下，桩顶位移实测值与计算值比较吻合。荷载箱向上位移计算值大于实测值，计算值为4.73mm，实测位移为1.9mm；向下位移曲线在最后几步加载与实测曲线吻合得较好。从计算得到的向下位移曲线可以看出，曲线可以分成三个阶段：第一个阶段为弹性变形阶段，在此阶段，桩侧摩阻力得到了发挥。第二阶段是桩底沉渣压密阶段，在此阶段，桩沉降曲线下降得较快，随着沉渣的逐步压密，其弹性模量逐渐增大，桩端岩层开始发挥承载效应。第三阶段为桩底岩层承载阶段，在这个阶段，桩底岩层承载力得到充分发挥，及至破坏。表2为自平衡试桩P-S曲线计算结果与实测结果数值表。 表2 静载荷试验P-S计算结果与实测结果表 计算值 实测值 荷载/MN 桩顶位移mm 向上位移mm 向下位移mm 荷载/MN 向下位移mm 向上位移mm 桩顶位移mm 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.44 -0.39 -0.27 -0.70 4.40 -0.03 -0.01 0.25 0.89 -0.35 -0.14 -1.14 6.60 -2.17 0.01 0.39 1.33 -0.32 -0.02 -1.58 8.80 -5.36 0.40 0.45 1.77 -0.28 0.10 -2.02 11.00 -8.36 0.75 0.59 2.21 -0.24 0.23 -2.45 13.20 -13.09 1.30 0.84 2.66 -