ANSYS分析彈性模量對(duì)基樁承載力的影響

        摘要：近年來，我國交通出行需求日益提高，高等級(jí)公路建設(shè)已進(jìn)入關(guān)鍵時(shí)期，同時(shí)對(duì)公路橋梁的建設(shè)提出了新的要求：1、數(shù)量在增多；2、對(duì)橋梁的承載能力及耐久性提出了更高的要求。本文利用有限元分析軟件ANSYS，通過模擬基樁在混凝土彈性模量改變時(shí)基樁的沉降情況來分析樁土參數(shù)對(duì)基樁承載力的影響。

　　關(guān)鍵詞：樁土接觸，彈性模量，ANSYS

　　1、單樁容許承載力的確定

　　對(duì)于鉆孔灌注樁的基樁軸向容許承載力，可由靜載試驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)公式法、靜力觸探試驗(yàn)以及大應(yīng)變法確定基樁容許承載力。

　　1.1靜載試驗(yàn)法

　　靜載試驗(yàn)確定單樁容許承載力是在通過試驗(yàn)繪制的P-s曲線上取特征點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的作用荷載作為極限荷載，然后將極限荷載值除以安全系數(shù)（規(guī)范規(guī)定為2）確定單樁容許承載力。

　　1.2經(jīng)驗(yàn)公式法

　　《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》根據(jù)大量靜載試驗(yàn)結(jié)果，給出了各種樁型的單樁容許承載力估算公式。

　　1.3靜力觸探試驗(yàn)

　　靜力觸探法是利用觸探儀的探頭貫入土中時(shí)的貫入阻力與單樁在土中的工作性狀有相類似的特點(diǎn)，將所測(cè)得的探頭的貫入阻力經(jīng)分析研究，確定軸向受壓?jiǎn)螛度菰S承載力。

　　1.4其他方法

　　除上述方法外，我們還可以按照大應(yīng)變法、靜力法確定單樁容許承載力。

　　2、有限元模擬

　　2.1有限元法分析問題的基本步驟

　�。�1）結(jié)構(gòu)離散化，將結(jié)構(gòu)或連續(xù)介質(zhì)離散為有限個(gè)單元；

　�。�2）選擇位移模式，確定位移函數(shù)；

　�。�3）分析單元力學(xué)特性；

　�。�4）建立剛度方程；

　�。�5）利用剛度方程求出節(jié)點(diǎn)位移，進(jìn)而求出單元的應(yīng)力、應(yīng)變。

　　2.2實(shí)例分析

　　2.2.1選擇單元類型

　　樁身和土體均采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid45模擬，土體采用DP材料。樁體與土體接觸面剛體—柔體面面接觸，定義樁底面與樁側(cè)面為剛性目標(biāo)面，目標(biāo)面單元選取targe170，定義與樁底與樁側(cè)接觸的土體的內(nèi)側(cè)為接觸面，采用conta173單元模擬。

　　2.2.2基樁參數(shù)選取

　　此試樁截面為圓形，樁徑1m，樁長15.2m，建模時(shí)取1/4樁模型進(jìn)行分析，基樁入土深度為14.5m，上部0.5m暴露在土體外面，土體模型樁側(cè)面取5倍樁徑，土體深度取2倍樁長，深度為30m，混凝土彈性模量取30MPa。

　　2.2.3建立有限元模型

　　對(duì)該模型進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，映射體網(wǎng)格只含有六面體結(jié)構(gòu)，比自由網(wǎng)格有更高的求解精度。映射網(wǎng)格劃分后的模型。

　　2.2.4設(shè)置面面接觸

　　與土體接觸的樁體側(cè)面和底面作為目標(biāo)面采用Targe170單元，與樁體接觸的土體表面作為接觸面采用Contac173單元，經(jīng)試算本模型法向接觸剛度Fkn取為1，同樣，切向接觸剛度也取為1。

　　2.2.5定義約束

　　樁體與土體的兩個(gè)側(cè)面為對(duì)稱約束，土體底面約束全部自由度，樁和土的頂面為自由面。

　　2.2.6加載及求解

　　施加軸向荷載，按照靜載試驗(yàn)的加載步驟，分為十級(jí)加載，一級(jí)加載500kN，加載至基樁極限承載力5000kN，在軟件中運(yùn)用時(shí)間—載荷子步數(shù)目方式控制，time1，time2……。當(dāng)加載至500KN時(shí)，可以從模型沿Z方向位移等值線圖中觀察到樁頂沉降為0.0021m，如圖2。繼續(xù)加載至5000KN時(shí)，樁頂沉降為0.0374m，如圖3。

　　2.2.6改變參數(shù)并求解

　　改變樁身混凝土彈性模量，分別增加、減小30%，及樁身混凝土彈性模量取為21Mpa和39Mpa，觀察樁頂沉降，發(fā)現(xiàn)樁頂沉降為0.0385m，0.0368m，分別變化2.9%和1.6%。由此可見，樁身混凝土彈性模量的變化不會(huì)影響到基樁極限承載力。

　　3、結(jié)論

　　1）可以運(yùn)用Ansys軟件模擬樁土接觸面，根據(jù)靜載試驗(yàn)的加載方式對(duì)基樁施加軸向荷載，并得出基樁樁頂?shù)奈灰啤?/p>

　　2）可以采用Drucker-Prager模型模擬土體，但是模擬參數(shù)的不確定性易造成收斂困難。

　　3）樁身混凝土彈性模量的變化對(duì)樁頂位移影響不大。對(duì)樁身混凝土彈性模量分別增大和減小30%，樁頂位移分別變化2.9%和1.6%，通過增大樁身混凝土彈性模量來提高基樁極限承載力的方法是無效的。

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