桥梁桩基础桩距优化设计浅析
2016-11-07
桩基是一种古老、传统的基础形式，又是一种应用广泛、生命力很强的基础形式。最早使用的是木桩。随着我国桥梁建设事业的迅猛发展，大跨径桥梁不断涌现，对基础承载能力的要求也越来越高，而桩基础具有承载力高、沉降量小而均匀，且对地质条件适应性强等优点，使得桩基础得到了广泛的应用。近二十年来，由于工程建设和工业技术的发展，桩的类型和成桩工艺，桩的承载力与桩体结构完整性的检测，桩基的设计计算水平，都有较大提高。在实际工程中，设计采取桩基础的原因不外乎有两个:或是因为天然地基的承载力不够，需要采取桩基础将上部结构的荷载传到深层土或支撑于坚硬持力层上；或是因为天然地基土在上部荷载作用下将发生较大的沉降变形，需要采取桩基础来减少沉降。绝大多数情况下，桩基础设计时采用的是承台一桩群体系（即群桩基础）。因此，群桩承载力及相应沉降成为工程设计所关注的焦点。
1 桩基础数值优化
在计算模型中，土体被简化为理想均质、各向同性体。土体的计算范围取为:桩底下方选取一倍桩长，侧向边界也取一倍桩长。混凝土桩垂直设置于土体之中，桩与承台之间采用刚性连接。承台被简化为绝对刚性体。桩土之间不设置接触面，无相对滑动，桩与土体共用节点，完全接触。承台、桩和土体均采用ANSYS程序中的八节点六面体等参单元来建模。荷载采用分级施加的方式，以模拟实际加载方式。
对于大多数群桩基础来说，主要是由于桩周土体出现大片塑性区，使得群桩位移过大而影响结构物的使用功能，此时桩与承台仍处于弹性变形阶段。混凝土桩垂直设置于土体之中，桩与土体采用共用节点的方法。上部结构的自重荷载施加于承台顶所有节点上，该荷载包括两部分:上部结构自重和桥墩自重。实际的计算模型进行模拟分析时只考虑到一定的土体范围，所以土体边界采用对节点进行固定的方法:土体底面节点只固定沿桩长方向的位移，土体侧面节点固定与桩长方向垂直的平面内的两个方向的位移。
2 单排群桩相互作用模拟设计优化
对单桩进行了模拟分析，用位移控制法得出了单桩的极限承载力；在极限承载力作用范围内，得出了单桩的荷载一位移曲线、轴力图曲线、单桩土体位移云图和单桩土体应力云图，并分析了刚度比的变化对单桩受力特性的影响，为与群桩的对比分析准备了基础资料。
单桩的模拟分析使用ANSYS有限元程序来进行，因为没有实际的工程地质资料可以借鉴所以采用资料上的土体参数进行分析。单桩竖向承载力是指单桩所具有的承受竖向荷载的能力，其最大的承载能力称为单桩极限承载力，可由单桩竖向静载试验测定，也可用其他的方法（如规范经验参数法、静力触探法等）估算。单桩竖向承载力包括地基土对桩的承载能力和桩的结构强度所允许的最大轴向荷载两个方面的涵义，以最小值控制桩的承载性能。一般情况下，桩身材料强度计算单桩竖向承载力要远大于按土对桩的承载力确定的单桩竖向承载力。所以在一般情况下，桩的承载力主要受地基土的支承能力所控制，桩身材料强度往往不能充分发挥，只有在特殊情况下，桩身材料强度才起到控制作用。
极限荷载往往与桩的下沉量有联系，因此常以规定桩顶下沉量的方法来确定极限荷载。在使用ANSYS建好有限元模型之后，对桩逐级施加竖向荷载，记录单桩在各级荷载作用下的桩顶位移，求得桩的荷载一位移曲线关系，用以分析确定单桩的极限承载力。桩端持力层性质不同的大直径桩都具有相似的荷载一沉降特性，都属于缓变型，不显示明显的破坏特征点。桩侧阻力都在较小桩顶沉降下发挥出来，而端阻力随沉降增大而逐渐发挥并不显示极限特征点。因此，根据静载试验曲线确定大直径桩的承载力特征值时，通常取对应的荷载为极限承载力。
在对单桩进行逐级加载时，随着荷载的增加，桩底周围土始终产生竖向位移。这说明桩端土不发生整体剪切破坏，而由土的压缩机理起主导作用。即随着荷载的增加，桩底以下土体产生竖向和侧向压缩，由此排除的土体积足以容纳桩端的下沉体积，而不会导致土体形成通向桩端平面以上的连续剪切滑动面。这种以压缩机理起主导作用的渐进破坏，因此极限承载力或容许承载力的确定一般应以位移控制。
3 多排群桩相互作用模拟设计优化
本文用ANSYS有限元程序模拟分析方法分析两种有代表性的桩型:六桩矩形承台群桩和九桩方形承台群桩。对于钻孔灌注桩，规范规定其最小桩距为2.5d，故桩间距也采用1.5、2、2.5、3倍桩的直径。
六桩的模拟分析同样通过ANSYS有限元程序来进行，其中桩的几何尺寸和力学参数与单桩分析时相同，土的物理力学指标仍按单桩分析时取值。对六桩矩形承台群桩基础所进行的模拟计算同样获得桩顶的荷载一沉降曲线和载荷为36000KN时四种不同桩距的各基桩轴力图、桩间土体的位移和应力云图。
对九桩方形承台群桩基础所进行的模拟计算同样获得桩顶的荷载一沉降曲线和载荷为54000KN时四种不同桩距的各基桩轴力图、桩间土体的位移和应力云图，。为了准确分析桩距变化时相邻桩之间的应力重叠对桩间土的位移和变形的影响，故取A（z0时中桩与边桩之间的中心点）、B（z0时边桩与角桩之间的中心点）在不同荷载和不同桩距下的位移和应力进行对比。
桩基的荷载一沉降关系是群桩基础工作性能及群桩效应的综合反映。因此，不论排数和桩数的多少，群桩基础的承载能力都随着桩距和承台的增大而提高。
4 结语
与单桩相比，群桩基础中由于桩与桩之间的相互作用使桩的沉降和轴力、桩间土体的应力位移都有所增大，且随排数和桩数的增多而增大。刚度比对桩的沉降和轴力有较大影响，且随其呈正比变化。随着刚度比的减小，桩周土体位移减小，但是桩周土体应力有增大的趋势。随着桩距的增大，群桩的沉降变小，桩间土体的应力位移也减小，群桩的承载力明显提高，各基桩的轴力逐渐增加。
参考文献
［1］李克训.基础工程（第二版）［M］.北京:中国铁道出版社.2003.
