水闸复合桩基础优化及承载力特性研究

徐小文

（苏州明骏建设工程有限公司,江苏 苏州 215131）

1 引言

随着工程技术的发展,地基处理的深度在不断增加,关于桩基的研究也受到越来越多学者的重视。目前,研究桩基承载的主流方法有荷载传递法、地基反力法、虚拟桩法[1]、有限元法[2]等等。吴恒立提出使用双参数进行离散数值求解的方法。张磊等[3]在经典弹塑性理论的基础上,考虑顶层土压力求解单桩的承载力。楼晓明等[4]以及工程实例为研究背景,结合p-y 法探究单桩在上拔组合荷载作用下的承载力变化规律。

当前的实际工程中多采用桩基承担水平荷载,但是关于单桩的水平承载力研究比较稀少。本文采用ANSYS 建模软件结合工程实例探究桩径和桩长对单桩水平承载力的影响。

2 工程概况

某水闸主要作用是放洪、泄潮以及供水,是一个集多种用途为一体的功能性水闸。该水闸宽14.2 m,共有12 个闸孔,平时多采用闸门来调节闸口出水量的大小。根据设计规范,该水闸的最大泄洪流量为1600m3/s,闸内最高水位为0.95 m,闸外最高水位为0.77 m。在面对200年一遇的洪水时,过闸最大流量不超过1750 m3/s,闸内最高水位为0.99 m,闸外最高水位为0.77 m。在面对100年一遇的洪水时,潮水最高位置不超过2.5 m。

该水闸的地貌属于典型的珠三角区域冲积平原,地面的平均高程在-6 m～1 m 之间。建立水闸处的土层以粉质黏土为主,土层中含有部分植物根茎。粉质黏土层下为具有一定厚度的淤泥质土层,淤泥质土层处于28 m～48 m 的位置,平均土层厚度在36 m 左右。淤泥质土的天然孔隙率大,具有高含水率,高压缩性的特点,导致土层的整体承载力较低。淤泥质土层的下层为粉质黏土层,该土层的平均厚度在5 m 左右。粉质黏土层的下层为砂砾层,处于1 m～9.5 m 的地层。在土层下为残积沙黏土和全风化花岗岩层,平均厚度为10 m左右。各项指标的参数值见表1。

表1 岩层性质参数

3 模型建立

本文在建立模型时取桩径为d=1 m,桩长为l=30 m 组作为模型尺寸。具体的建模过程和关于桩基模型的其余尺寸计算过程与求解过程如下：

首先打开ANSYS 输入装的尺寸数据,然后进行网格划分。根据规范要求,在建模时地基的范围要在5 倍～10 倍桩径范围内。建模是桩径选择1 m,本次建模选择地基范围为16 m×16 m。建模时选择桩长为l=30 m,地基的深度为h=40 m,建模后预留10 m 的范围,作为缓冲空间,便于感受桩端对下卧土层的压力。在桩顶建立一个1.5 m×0.3 m 的承台,便于对桩施加水平荷载。最终的建模结果见图1,桩体和地基土体的各项材料参数见表2。

图1 整体模型图

表2 桩体和地基土体的各项材料参数

4 计算结果整理

在建模软件中完成对模型的建立和计算后,多不同尺寸的模型进行数值分析运算,计算结果见表3。表3中汇总了不同的桩基直径和桩基长度的桩基组合的水平承载力。通过表中的数据分析,可以比较出相同条件下,桩端的水平承载力与桩基参数的变化规律,从而得出桩基参数对桩的影响趋势。

表3 不同桩径、桩长组合的桩的水平承载力

4.1 桩长对单桩水平承载力的影响

根据表3中的数据,绘制不同桩径与水平承载力的变化趋势,由于数据较多,文中只展示了桩径d=1 m 的变化趋势,见图2。之后将各个桩径与桩长的组合计算承载力绘制在图3中,探究不同的桩径时桩长对单桩承载力的影响趋势。

图2 桩径1 m 时水平承载力与桩长变化的曲线

图3 各个桩径情况下水平承载力随桩长变化的曲线

由图2可以看出,单桩的水平承载力的大小与桩长呈正相关,随着桩长的增加,桩基的水平承载力呈出逐渐增大的趋势。但水平承载力的增长速率随桩长的增大表现出逐渐减小,最后区域平缓的趋势。在桩长小于15 m 时,单桩水平承载力与桩长呈线性发展趋势,保持直线增长状态,单桩表现出刚性特性。在桩长大于15 m 时,单桩水平承载力随桩长的增加,增长趋势放缓,曲线的发展也区域稳定,单桩表现出柔性特性。因此15 m 可以当做桩长的临界值。

将各个桩径与桩长的组合计算承载力绘制在同一幅图中,探究不同的桩径对单桩承载力的影响趋势,见图3。由图3可知,不同桩径的单桩水平承载力与桩长的发展趋势基本一致。水平承载力的总体变化趋势分别为两个阶段,快速增长阶段和缓慢增长阶段。随着桩长的增长,承载力增长速率放缓。在快速增长阶段,水平承载力涨幅极大,基本呈线性增长趋势。在缓慢增长阶段,桩长在不断增加,但水平承载力的变化很小。在快速增长阶段和缓慢增长阶段之间,桩长存在一个显著的临界值,本文定义临界桩长为l0。在桩长小于l0时,单桩水平承载力与桩长呈线性发展趋势,保持直线增长状态,单桩表现出刚性特性。在桩长大于l0时,单桩水平承载力随桩长的增加,增长趋势放缓,曲线的发展也趋于稳定,单桩表现出柔性特性。因此l0可以当做桩长的临界值。

由上述分析可以看出,单桩的在受水平力发生破坏时存在一个临界长度l0,在桩长小于l0时,单桩水平承载力会大幅降低,单桩桩身表现出刚性转动现象。在桩长大于l0时,单桩水平承载力与桩长的关系不大,继续增加桩长也无法提高曲单桩的水平承载力。实际工程中,只要桩长设计值大于临界值l0,就能够达到增加桩长提高单桩水平承载力的目的。

单桩在工程中除了受到水平荷载的作用外,还遭受到竖向荷载的挑战。在一定的技术范围内,虽然可以通过增加桩长提高单桩水平承载力的目的,但在较大的竖向荷载下,单桩的竖向沉降值也会随之增加。在桩长较大的情况下,会出现桩底的摩擦阻力未达到极限值,桩顶沉降量已超过设计上限的现象。因此实际工程中,对于桩长的选择需要组合考虑承载力和沉降量的平衡,达到经济效益和规范设计的最大化。

4.2 桩径对单桩水平承载力的影响

根据表3中的数据,绘制不同桩径与水平承载力的变化趋势,由于数据较多,文中只展示了桩长l=30 m 的变化趋势,见图4。之后将各个桩长与桩径的组合计算承载力绘制在图5中,探究不同的桩长时桩径对单桩承载力的影响趋势。

图4 桩长30m 时水平承载力与桩径变化的曲线

图5 不同的桩径时桩长与单桩承载力的变化曲线

由图4可以看出,单桩的水平承载力的大小与桩径呈正相关,随着桩径的增加,桩基的水平承载力呈出逐渐增大的趋势。并且图4中水平承载力增长幅度要显著大于图2的增长幅度,这说明,桩径的增长带来的单桩水平承载力增长效益要高于桩长带来的增长效益。单桩的桩径增长越大,水平承载力的增长幅度越大,可以认为,桩径是影响单桩水平承载力的主要因素,水平承载力高低与桩径大小呈正相关。

将各个桩径与桩长的组合计算承载力绘制在同一幅图中,探究不同的桩径时桩长对单桩承载力的影响趋势,见图5。由图5可知,不同桩径的单桩水平承载力与桩长的发展趋势基本一致。同时与图3相比,图5中曲线排列的更加紧密,当桩长大于15 m 后,单桩的水平承载力与桩径的关系曲线基本重合,也可以反映出桩径的增长带来的单桩水平承载力增长效益要高于桩长带来的增长效益这一结论。

由上述分析可以看出,桩身直径的增加对单桩水平承载力的提高作用显著,桩径长度的增加对单桩水平承载力的提高存在临界长度。综合比较发现桩径的增长带来的单桩水平承载力增长效益要高于桩长带来的增长效益。但在实际工程中一味地增加桩径,虽然可以增加单桩的水平向承载力,但是会造成混凝土大量的浪费和经济损失。因此实际工程中,对于桩长和桩径的组合选择要综合考虑,使设计达到经济效益和工程要求的利用最大化。

4.3 桩基的水平承载力计算

以不同底层的特征孔隙为研究对象,根据表1中的数据,在ANSYS 中建立天然图层的单桩模型,见图6。然后根据第3 节中方法对桩基的水平承载力进行计算。

图6 地层桩整体模型

经过建模计算,特征桩的最大承载力为248 kN,在进行计算前,通过已经存在的经验模型求得的特征桩的最大承载力为257 kN,模型计算值和经验模型公式估算值差值仅为3.8%,处于合理的误差范围内,说明采用本文的方法,模拟估算单桩的水平承载力是可行的,计算结果是可靠的。

根据规范要求,该水闸的每个闸门的设计荷载,该水闸范围内的桩基水平承载力设计值为5900 kN,水闸进行桩基础施工时布置60根桩,平均一根桩的承载力为98.3 kN,远小于上述的计算结果,满足设计要求。

5 结论

本文采用ANSYS 建模软件结合工程实例探究了桩径和桩长对单桩水平承载力的影响。研究结果如下：

（1）单桩的在受水平力发生破坏时存在一个临界长度l0,在桩长小于l0时,单桩水平承载力会大幅降低,单桩桩身表现出刚性转动现象。在桩长大于l0时,单桩水平承载力与桩长的关系不大,继续增加桩长也无法提高单桩的水平承载力。

（2）单桩的水平承载力的大小与桩径呈正相关,随着桩径的增加,桩基的水平承载力呈出逐渐增大的趋势。

（3）桩身直径的增加对单桩水平承载力的提高作用显著,桩径长度的增加对单桩水平承载力的提高存在临界长度。综合比较发现桩径的增长带来的单桩水平承载力增长效益要高于桩长带来的增长效益。

（4）实际工程中,对于桩长和桩径的组合选择要综合考虑,使设计达到经济效益和工程要求的利用最大化。