橋梁樁基礎(chǔ)樁距優(yōu)化設(shè)計(jì)淺析
2016-11-07
樁基是一種古老、傳統(tǒng)的基礎(chǔ)形式，又是一種應(yīng)用廣泛、生命力很強(qiáng)的基礎(chǔ)形式。最早使用的是木樁。隨著我國(guó)橋梁建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，大跨徑橋梁不斷涌現(xiàn)，對(duì)基礎(chǔ)承載能力的要求也越來(lái)越高，而樁基礎(chǔ)具有承載力高、沉降量小而均勻，且對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使得樁基礎(chǔ)得到了廣泛的應(yīng)用。近二十年來(lái)，由于工程建設(shè)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，樁的類(lèi)型和成樁工藝，樁的承載力與樁體結(jié)構(gòu)完整性的檢測(cè)，樁基的設(shè)計(jì)計(jì)算水平，都有較大提高。在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)采取樁基礎(chǔ)的原因不外乎有兩個(gè):或是因?yàn)樘烊坏鼗某休d力不夠，需要采取樁基礎(chǔ)將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳到深層土或支撐于堅(jiān)硬持力層上；或是因?yàn)樘烊坏鼗猎谏喜亢奢d作用下將發(fā)生較大的沉降變形，需要采取樁基礎(chǔ)來(lái)減少沉降。絕大多數(shù)情況下，樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)采用的是承臺(tái)一樁群體系（即群樁基礎(chǔ)）。因此，群樁承載力及相應(yīng)沉降成為工程設(shè)計(jì)所關(guān)注的焦點(diǎn)。
1 樁基礎(chǔ)數(shù)值優(yōu)化
在計(jì)算模型中，土體被簡(jiǎn)化為理想均質(zhì)、各向同性體。土體的計(jì)算范圍取為:樁底下方選取一倍樁長(zhǎng)，側(cè)向邊界也取一倍樁長(zhǎng)?；炷翗洞怪痹O(shè)置于土體之中，樁與承臺(tái)之間采用剛性連接。承臺(tái)被簡(jiǎn)化為絕對(duì)剛性體。樁土之間不設(shè)置接觸面，無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，樁與土體共用節(jié)點(diǎn)，完全接觸。承臺(tái)、樁和土體均采用ANSYS程序中的八節(jié)點(diǎn)六面體等參單元來(lái)建模。荷載采用分級(jí)施加的方式，以模擬實(shí)際加載方式。
對(duì)于大多數(shù)群樁基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，主要是由于樁周土體出現(xiàn)大片塑性區(qū)，使得群樁位移過(guò)大而影響結(jié)構(gòu)物的使用功能，此時(shí)樁與承臺(tái)仍處于彈性變形階段?；炷翗洞怪痹O(shè)置于土體之中，樁與土體采用共用節(jié)點(diǎn)的方法。上部結(jié)構(gòu)的自重荷載施加于承臺(tái)頂所有節(jié)點(diǎn)上，該荷載包括兩部分:上部結(jié)構(gòu)自重和橋墩自重。實(shí)際的計(jì)算模型進(jìn)行模擬分析時(shí)只考慮到一定的土體范圍，所以土體邊界采用對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行固定的方法:土體底面節(jié)點(diǎn)只固定沿樁長(zhǎng)方向的位移，土體側(cè)面節(jié)點(diǎn)固定與樁長(zhǎng)方向垂直的平面內(nèi)的兩個(gè)方向的位移。
2 單排群樁相互作用模擬設(shè)計(jì)優(yōu)化
對(duì)單樁進(jìn)行了模擬分析，用位移控制法得出了單樁的極限承載力；在極限承載力作用范圍內(nèi)，得出了單樁的荷載一位移曲線、軸力圖曲線、單樁土體位移云圖和單樁土體應(yīng)力云圖，并分析了剛度比的變化對(duì)單樁受力特性的影響，為與群樁的對(duì)比分析準(zhǔn)備了基礎(chǔ)資料。
單樁的模擬分析使用ANSYS有限元程序來(lái)進(jìn)行，因?yàn)闆](méi)有實(shí)際的工程地質(zhì)資料可以借鑒所以采用資料上的土體參數(shù)進(jìn)行分析。單樁豎向承載力是指單樁所具有的承受豎向荷載的能力，其最大的承載能力稱(chēng)為單樁極限承載力，可由單樁豎向靜載試驗(yàn)測(cè)定，也可用其他的方法（如規(guī)范經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法、靜力觸探法等）估算。單樁豎向承載力包括地基土對(duì)樁的承載能力和樁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度所允許的最大軸向荷載兩個(gè)方面的涵義，以最小值控制樁的承載性能。一般情況下，樁身材料強(qiáng)度計(jì)算單樁豎向承載力要遠(yuǎn)大于按土對(duì)樁的承載力確定的單樁豎向承載力。所以在一般情況下，樁的承載力主要受地基土的支承能力所控制，樁身材料強(qiáng)度往往不能充分發(fā)揮，只有在特殊情況下，樁身材料強(qiáng)度才起到控制作用。
極限荷載往往與樁的下沉量有聯(lián)系，因此常以規(guī)定樁頂下沉量的方法來(lái)確定極限荷載。在使用ANSYS建好有限元模型之后，對(duì)樁逐級(jí)施加豎向荷載，記錄單樁在各級(jí)荷載作用下的樁頂位移，求得樁的荷載一位移曲線關(guān)系，用以分析確定單樁的極限承載力。樁端持力層性質(zhì)不同的大直徑樁都具有相似的荷載一沉降特性，都屬于緩變型，不顯示明顯的破壞特征點(diǎn)。樁側(cè)阻力都在較小樁頂沉降下發(fā)揮出來(lái)，而端阻力隨沉降增大而逐漸發(fā)揮并不顯示極限特征點(diǎn)。因此，根據(jù)靜載試驗(yàn)曲線確定大直徑樁的承載力特征值時(shí)，通常取對(duì)應(yīng)的荷載為極限承載力。
在對(duì)單樁進(jìn)行逐級(jí)加載時(shí)，隨著荷載的增加，樁底周?chē)潦冀K產(chǎn)生豎向位移。這說(shuō)明樁端土不發(fā)生整體剪切破壞，而由土的壓縮機(jī)理起主導(dǎo)作用。即隨著荷載的增加，樁底以下土體產(chǎn)生豎向和側(cè)向壓縮，由此排除的土體積足以容納樁端的下沉體積，而不會(huì)導(dǎo)致土體形成通向樁端平面以上的連續(xù)剪切滑動(dòng)面。這種以壓縮機(jī)理起主導(dǎo)作用的漸進(jìn)破壞，因此極限承載力或容許承載力的確定一般應(yīng)以位移控制。
3 多排群樁相互作用模擬設(shè)計(jì)優(yōu)化
本文用ANSYS有限元程序模擬分析方法分析兩種有代表性的樁型:六樁矩形承臺(tái)群樁和九樁方形承臺(tái)群樁。對(duì)于鉆孔灌注樁，規(guī)范規(guī)定其最小樁距為2.5d，故樁間距也采用1.5、2、2.5、3倍樁的直徑。
六樁的模擬分析同樣通過(guò)ANSYS有限元程序來(lái)進(jìn)行，其中樁的幾何尺寸和力學(xué)參數(shù)與單樁分析時(shí)相同，土的物理力學(xué)指標(biāo)仍按單樁分析時(shí)取值。對(duì)六樁矩形承臺(tái)群樁基礎(chǔ)所進(jìn)行的模擬計(jì)算同樣獲得樁頂?shù)暮奢d一沉降曲線和載荷為36000KN時(shí)四種不同樁距的各基樁軸力圖、樁間土體的位移和應(yīng)力云圖。
對(duì)九樁方形承臺(tái)群樁基礎(chǔ)所進(jìn)行的模擬計(jì)算同樣獲得樁頂?shù)暮奢d一沉降曲線和載荷為54000KN時(shí)四種不同樁距的各基樁軸力圖、樁間土體的位移和應(yīng)力云圖，。為了準(zhǔn)確分析樁距變化時(shí)相鄰樁之間的應(yīng)力重疊對(duì)樁間土的位移和變形的影響，故取A（z0時(shí)中樁與邊樁之間的中心點(diǎn)）、B（z0時(shí)邊樁與角樁之間的中心點(diǎn)）在不同荷載和不同樁距下的位移和應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比。
樁基的荷載一沉降關(guān)系是群樁基礎(chǔ)工作性能及群樁效應(yīng)的綜合反映。因此，不論排數(shù)和樁數(shù)的多少，群樁基礎(chǔ)的承載能力都隨著樁距和承臺(tái)的增大而提高。
4 結(jié)語(yǔ)
與單樁相比，群樁基礎(chǔ)中由于樁與樁之間的相互作用使樁的沉降和軸力、樁間土體的應(yīng)力位移都有所增大，且隨排數(shù)和樁數(shù)的增多而增大。剛度比對(duì)樁的沉降和軸力有較大影響，且隨其呈正比變化。隨著剛度比的減小，樁周土體位移減小，但是樁周土體應(yīng)力有增大的趨勢(shì)。隨著樁距的增大，群樁的沉降變小，樁間土體的應(yīng)力位移也減小，群樁的承載力明顯提高，各基樁的軸力逐漸增加。
參考文獻(xiàn)
?。?］李克訓(xùn).基礎(chǔ)工程（第二版）［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社.2003.
