有限元方法研究摩擦桩在高填方路堤不同性质土中作用

有限元方法研究摩擦桩在高填方路堤不同性质土中作用　　【摘要】高填方路堤处理的方法较多，挤密砂桩等打桩方法可以有效减少其沉降，本文用有限元软件ANSYS对高填方路堤进行建模，分析不同土质打入摩擦桩后路堤的沉降，分析各种土质的沉降量，得出摩擦桩最适用的土质等结论。【关键词】高填方路基；摩擦桩；沉降；有限元中图分类号：U213.1文献标识码：A文章编号：高填方路堤的处理方法较多，有复合地基、土性改善等方法，其中土性改善的方法中，打入石灰桩、挤密砂桩的方法比较常用。本文利用有限元软件ANSYS，分析不同性质土打入摩擦桩后的沉降量，找出摩擦桩最适用的土质。1．计算模型及参数1.1土体几何模型和材料性质在ANSYS中建立模型，路堤土采用solid45单元，高填方路堤堤身较高，路堤高度20m，路面宽度26m，变坡点上下高度分别为12m、8m，上部坡度1：1.5，下部坡度为1：1.75，路堤纵向取15m，路堤坡脚以外的宽度取90m。路堤土材料：密度1.9g·cm-3，粘聚力67.5kPa，内摩擦角27.9°，弹性模量45.7Mpa，泊松比0.25。5 地基土材料：粘土密度1.8g·cm-3，粘聚力70kPa，内摩擦角19°，弹性模量30MPa，泊松比0.42；粉质粘土：密度1.85g·cm-3，粘聚力20kPa，内摩擦角25°，弹性模量35MPa，泊松比0.38；中密砂土：密度1.9g·cm-3，粘聚力6kPa，内摩擦角38°，弹性模量46MPa，泊松比0.3[2]。1.2桩体几何模型和材料性质桩体也采用solid45单元，桩土接触模型选择刚体-柔体接触模型，桩体表面选用刚体接触单元targe170，土体表面选用柔性接触单元conta173，桩体采用圆柱体建模。摩擦桩密度2.5g·cm-3，弹性模量2600MPa，泊松比0.167[4]，桩长15m，桩径1m，桩的纵向间距为3m，水平方向间距为30m。摩擦桩和不同性质土之间的摩擦系数f分别为：粘土和混凝土0.312，粉质粘土和混凝土0.503，中密砂土和混凝土0.821[1]。1.3网格划分及约束按四面体划分网格，用disize和esize命令控制网格的精度。底边三个自由度都设置约束，左右两侧和前后两侧对水平方向设置约束。1.4加载求解对整个区域施加重力，用牛顿-拉普森迭代进行求解。5 2．基本假设土体性质为各项同性，模型左右前后边界水平方向位移为零，竖直方向允许发生位移，下边界所有自由度都约束；路堤的沉降由重力产生，不考虑车辆等荷载对沉降的影响；摩擦桩只和土体产生摩擦，不考虑桩体和土体的挤压作用，忽略钻孔后土体的排水固结。3．土的本构模型岩土模型常用的屈服准则为摩尔-库仑准则（MC准则）和Drucker-Prager屈服准则，由于DP模型计算结果容易收敛，故采用DP模型[4]。4．摩擦桩在不同土质中作用分析4.1没有摩擦桩的地基沉降建立没有摩擦桩的地基的模型，得到沉降量分别为：粘土1.0692m，粉质粘土1.2460m，中密砂土1.3200m。4.2摩擦桩在不同性质土中作用用ansys计算建立的模型，由不同性质的土和混凝土的摩擦系数容易看出，摩擦系数与土的特性相关，大小随着土的强度增大而增大。摩擦系数还与接触面的粗糙程度有关，所以在成孔时，孔壁不宜过于光滑，使孔壁有一定的粗糙程度，增加摩擦力。5 保持计算模型不变，桩长15m，桩径1m，改变摩擦桩作用的土质分别为粘土、粉质粘土和中密砂土，在命令流中改变土的力学性质，通过ansys计算每种土质的沉降量，得到摩擦桩在粘土、粉质粘土、中密砂土中作用时的沉降量分别是：粘土1.0642m，粉质粘土1.2340m，中密砂土1.3097m。没有摩擦桩的地基沉降量减去有摩擦桩的沉降量，就得到摩擦桩作用下各性质土沉降量的减少量，分别为：粘土0.005m，粉质粘土0.012m，中密砂土0.0103m。从中可以看出，摩擦桩使粉质粘土的沉降量减少最多，而对粘土沉降量的减小作用较小，从中可以看出摩擦桩最适合在粉质粘土中使用，最不适合在粘土中使用，摩擦桩在中密砂土的作用介于前两者之间。以上模型的桩间距较大，水平方向间距为30m，如果增加桩长和桩径，或者减小桩间距，则高填方路堤顶部的沉降量会进一步减小。5．结语无论何种土质，摩擦桩对于高填方路基的沉降有减小的作用，用有限元模型可以较好的模拟桩土之间相互作用的情况。5 从摩擦桩和不同性质土体作用结果来看，摩擦桩最适用于粉质粘土的土质，可以使得沉降量减小最大，最不适合在粘土中使用。但由于土体之间性质差异较大，具体的沉降量数值需要在有限元软件中，改变材料属性经过计算得到，施工之前应该做试验或者进行数值模拟，使沉降量较小且较为经济。桩土之间的摩擦系数越大，地基土的沉降量越小，故成孔时应保持孔壁的粗糙。桩间距越小，沉降量也越小，可以确定合理的桩间距使得沉降量较小。参考文献：[1]许宏发,吴华杰,郭少平等.桩土接触面单元参数分析[J].探矿工程，2002(5).[2]孙晓东，王丹压.土的粘聚力取值分析[J].辽宁建材，2010(3).[3]吴俊，陈开圣，龙万学.高填方路基沉降变形有限元数值模拟[J].公路工程，2009,34(2).[4]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社.2007.10作者简介：李金珂（1993—），男，河南新乡人，郑州大学土木工程学院2010级本科生，交通工程专业5