李明义,魏伟(淄博市建筑设计研究院山东淄博255037)
【摘要】本文采用大型通用有限元软件ANSYS,采用solid45实体单元及arget170和conta173单元模拟CFG桩及各元素间的滑移摩擦来分析CFG复合地基褥垫层与桩土应力之间的关系。【关键词】有限元;CFG桩;数值分析
DiscussionrelationshipbetweenCFGCompositeFoundationPilecushionandsoilstressratioLiMing-yi,WeiWei
(ZiboCityArchitecturalDesignandResearchInstituteZiboShandong255037)【Abstract】Inthisarticle,large-scalefiniteelementsoftwareANSYS,usingsolid45solidelementsandargetb170andconta173elementtosimulatetheCFGpileandtheslidingfrictionbetweenelementstoanalyzetheCFGpilecompositefoundationcushionandtherelationshipbetweensoilstress.【Keywords】Finiteelement;CFGpile;Numericalanalysis
1.前言水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)适用于处理粘性土、粉土和已自重固结的素填土等地基。该地基处理方法是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌合形成高粘结强度桩,并由桩、桩间土和褥垫层一起组合成复合地基的地基处理方法。在CFG桩的设计中褥垫层是设计的关键,它对最终沉降、调整桩土应力比、调整桩土水平荷载,起重要作用。如果褥垫层太厚桩的优点没有发挥,但如太薄则复合地基应力过于集中在桩上,土的作用没有发挥。同时复合地基应力在桩土见得分配又与褥垫层的刚度息息相关,即采用不同材料作为CFG桩的褥垫层,对桩土间的应力分布有重要影响。本文采用大型通用有限元软件ANSYS,采用solid45实体单元及arget170和conta173单元模拟CFG桩及各元素间的滑移摩擦来分析CFG复合地基褥垫层与桩土应力之间的关系。
2.ANSYS数值模型的建立本文中,土体、桩体、垫层均采用三维八节点实体单元solid45单元模拟,同时在桩体与桩间土、桩体与垫层之间均设置了接触单元,刚性面与接触单元分别选用target170和conta173接触单元模拟,考虑了桩体与桩间土之间的滑移摩擦。桩体采用弹性材料模拟,土体以drucker-prager本构关系模拟其弹塑性。solid45单元用于构造三维固体结构。单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度,具有塑性,蠕变,膨胀,应力强化,大变形和大应变能力。其有限元模型如图1所示。图1CFG复合地基有限元模型3.数值计算结果3.1当CFG桩褥垫层厚度取100mm,其刚度分别为3000N/mm2、5000N/mm2、9000N/mm2时的桩土应力云图如图2、3、4所示。由以上结果可知,在褥垫层厚度一定的工况下,随着褥垫层刚度的增加桩体承担的应力逐渐增大,而桩间土所承担的应力逐渐减小。3.2当CFG桩褥垫层刚度取3000N/mm2,其厚度分别为100、150、250时的桩土应力云图如图5、6、7所示由以上结果可知,在褥垫层刚度一定的工况下,随着褥垫层厚度的增加桩体承担的应力逐渐减小,而桩间土所承担的应力逐渐增大。图2褥垫层刚度为3000N/mm2结果图3褥垫层刚度为5000N/mm2结果图4褥垫层刚度为9000N/mm2结果表1桩土的竖向应力值(N/mm2)E(N/mm2)300050009000桩-0.48325-0.59876-0.69857桩间土-0.15625-0.10326-0.10025图5褥垫层厚度为100mm结果图6褥垫层厚度为150mm结果图7褥垫层厚度为250mm结果表2桩土竖向应力值(N/mm2)垫层厚度100150250桩-0.65698-0.60235-0.45680桩间土-0.12568-0.12035-0.14256
4.结论由本文分析可知褥垫层的设置厚度及所采用的材料,即褥垫层的刚度对桩及桩周土的应力分配有很大关系。具体结果如下:(1)在褥垫层厚度一定的工况下,随着褥垫层刚度的增加桩体承担的应力逐渐增大,而桩间土所承担的应力逐渐减小;(2)在褥垫层刚度一定的工况下,随着褥垫层厚度的增加桩体承担的应力逐渐减小,而桩间土所承担的应力逐渐增大。根据以上结果,在实际工程应用中,可根据现场情况决定褥垫层的合理厚度及刚度,例如当需处理深度范围内土层物理力学性能指标较好时,应选取厚度偏大或者刚度偏小的褥垫层来减少桩数,充分利用桩间土的承载力来达到降低工程造价的目的,该方法为降低桩土应力比值法;而当需处理深度范围内土层物理力学性能指标较差时,应选取厚度适中或刚度偏大的褥垫层,在充分利用桩间土承载力的基础上,适当增加桩数,充分利用桩的承载能力,以尽量降低工程造价。
参考文献
[1]《建筑地基处理技术规范》(LGJ79-2002),中国建筑工业出版社2002
[2]陈惠发,A.F.萨里普,《混凝土和土的本构方程》,中国建筑工业出版社,2004:69-128
[3]冯震等,《CFG桩竖向荷载作用下水平位移和玩具的实验研究》,土木工程学报,第38卷第2期
[4]《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002),中国建筑工业出版社2002
[文章编号]1006-7619(2010)04-01-252