桥梁微型群桩桩土相互作用模拟分析

孟庆峰,王敏贤,王慧东

(1.石家庄铁道大学土木学院,石家庄 050043;2.石家庄铁道大学四方学院,石家庄 050043)

1 概述

传统的桥梁群桩计算理论包括群桩承载力和群桩沉降计算两部分[1],这两部分在计算时互不相关。而事实上,由于土的力学性质的复杂性,群桩基础的总体荷载-位移曲线为缓变型,这个结论已经在理论上和实践中都得到了证实。因此,对于群桩,尤其是桥梁微型群桩基础,虽然总体荷载-位移曲线还处于缓变阶段,但是群桩的沉降已经不能满足上部结构变形的要求。

微型群桩基础在受竖向荷载后,由于应力叠加导致桩-土体系发生变化,进行群桩桩土的相互作用分析最好的方法是试验,但对于群桩做试验是比较难实现的[2]。因此,需要建立数值方法分析模拟群桩变化情况。以往的桥梁桩总是按支撑全部荷载而设计,忽视了连续的桥梁桩承台和全部桩之间土承载力的任何影响;因此,对于微型群桩,需要建立起基于功能要求的群桩理论分析及设计模式。计算方法首先是建立群桩及岩土体的力学模型,通过计算得到其应力场、位移场,以研究群桩的受力变形规律。

2 ANSYS模拟分析计算

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。土的非线性对计算结果的影响很大,而考虑桩及承台的弹塑性对分析结果的影响较小[2]。基于以上考虑,在对群桩基础进行弹塑性分析时,只考虑土的弹塑性,而假定桩及承台处于弹性阶段[3],这样已足以达到工程精度要求。

2.1 单元模拟

桩体和承台简化为线弹性体,土体简化为非线性弹塑性体,采用 ANSYS有限元程序中 Drucker-Prager模型来模拟土体的非线性性能[2]。对 DP模型,其屈服面为一圆锥面,此圆锥面是六角形的摩尔 -库仑屈服面的外切锥面。DP模型的优点是采用简单的方法考虑了静水压力对屈服强度的影响,参数少,计算简单,同时也考虑了岩土材料的剪胀性。杆系有限元求得的是单元内力(轴力、剪力和弯矩),不能具体反映单元内部的应力分布情况,本文的有限元计算采用SOLID45单元[4],对 SOLID45单元中的六面体八节点进行网格划分情况如图1所示。用实体单元计算,获得的应力更能反映单元内部的应力分布情况,获得的应力更能反映土体与群桩之间的相互作用。假设桩的几何尺寸为桩径 d=0.2m,桩长 L=10m,其他参数有泊松比 μ=0.2,ES=2.71×107kPa,密度为2 500 kg/m3。选取 1.5d、2d、2.5d、3d桩间距。六桩平面布置如图2所示。土体参数的取值见表1。

图1 六桩模型的网格划分

图2 六桩模型的平面示意

表1 土体参数

2.2 计算结果

对群桩特性进行模拟分析,每桩承受 600 kN荷载作用,用逐级加载的方式,取 A(z=0时两边桩之间的中心点)、B(z=0时边桩与角桩之间的中心点)、C(z=0时两角桩之间的中心点)在不同荷载和不同桩距条件下的位移和应力(表2、表3),得出了桩身轴力见图3、图4,桩的土体荷载-位移曲线如图5所示。

表2 六桩桩间节点位移 mm

表3 六桩桩间节点应力 kPa

图3 六桩角桩桩身轴力

图4 六桩边桩桩身轴力

图5 六桩土体荷载-沉降曲线

2.3 计算结果数据分析

2.3.1 群桩间土体位移和应力变化曲线分析

根据模拟计算,群桩在不同桩距下的土体位移、应力见表2、表3。为了便于比较和描述,均选择有代表性的最大荷载等级得出的应力、位移。从表中可以看出。

(1)在同一荷载等级和桩距条件下,桩间土体的位移变化规律是:六桩的竖向位移大于单桩的竖向位移[5]。这说明排数和桩数较多时,应力重叠效应增强,使桩间土的变形增加,从而导致竖向位移的增加。

(2)在同一荷载等级和桩距条件下,桩间土体的应力变化规律与竖向位移变化规律相似。

(3)在同一荷载等级和桩距条件下,对于六桩,竖向位移按由大到小排列,依次为 A点、B点、C点。

(4)随着桩距的增大,桩间土体的变形逐渐变小,桩间土体的应力也随之变小,这是由于相邻桩之间的相互作用随桩距增大而逐渐减弱的结果。

(5)由表中可以看出,桩距为 1.5d和 2d时,六桩桩间土节点 A、B、C点的应力为负,与桩距为 2.5d和3d时的应力符号相反。在 4种桩距下,各节点应力位移曲线的走势相近,但桩距为 2d、2.5d和 3d时比1.5d的应力值有大的提高。可见微桩桩距选取 2d以上是比较合适的。

2.3.2 群桩中各基桩轴力曲线分析

为了便于描述,群桩各基桩轴力曲线均选择最大荷载下绘出的轴力图,由图3、图4,可以看出。

(1)群桩体系中,由于各基桩的位置不同,各基桩的承载力特性也不同。角桩承担的荷载最大,边桩次之。由于各基桩侧阻的发挥不是同步的,角桩侧阻的发挥先于边桩。故随荷载增大,总的规律是随着荷载的增大,各桩分担的荷载趋于接近。

(2)4种不同桩距下,角桩轴力变化规律都是随桩距的增大而减小,轴力曲线也非常接近。当桩距变化时,角桩承担的荷载分别约增加了 3.1%。

(3)4种不同桩距下,边桩的轴力都随桩距的增大而减小,桩的轴力曲线在 4种桩距下的走势相近。当桩距从 1.5d到 2d时,边桩轴力变化不是很大,约增大2.9%,当桩距从 2d到 2.5d,2.5d到 3d时,边桩的轴力变化幅度增大,约为 4.6%。

2.3.3 荷载-沉降曲线分析

桩基的荷载-沉降曲线是群桩基础工作性能及群桩效应的综合反映。由图5可以看出。

(1)在同一荷载水平下,六桩的沉降大于单桩[6]。当桩距从 1.5d到 2d时,沉降量变化都很小。当桩距从 2d到 2.5d,2.5d到 3d时,沉降都有大幅度的减小,约为 4.9%。再次说明当桩距较小时,桩与桩之间的影响较为明显。

(2)在同一沉降水平下,对于微型桩六桩,当桩距从 1.5d到 2d,2d到 2.5d,2.5d到 3d变化时,其承载力都有提高,但是桩距从 1.5d到 2d,其承载力的提高并不明显。

3 工程实例

3.1 工程概况

清江高坝洲水库溪口桥(图6)位于清江右岸二级支流中溪河上,桥长 124m,中部为 48m+48m等截面悬链线双曲连拱,两肋一波加两个半悬波,净拱度 1/8,桥面净宽为 3.5m+2×0.5m。经工程地质勘察发现,墩底面与基岩面间分布有厚 0.5～2.2m的粉质黏土夹块石层;基岩为奥陶系大湾组紫红色泥灰岩,墩身多为强风化块砌成,强度欠佳。建议以基岩作为桥墩基础持力层,同时采取可靠措施对墩身进行加固处理。

图6 溪口桥及基础加固示意(单位:cm)

3.2 加固方案

考虑微桩直径小,对结构及地基的扰动极小,可以保证加固工作的安全;用钢管压注砂浆式微桩对基础襟边范围的地基加固,可以保证施工在桥上进行;用钢筋笼压注砂浆式微桩对墩身范围的地基及墩身进行加固,既达到了加固墩身及地基的目的,也降低了工程造价。经研究对中墩采用 12根钢筋笼压注砂浆式微桩群桩穿过 0.5～2.2m的粉质黏土夹块石层嵌入奥陶系大湾组紫红色泥灰岩;同时对基础襟边范围的地基采用 32根钢管压注砂浆式微桩群桩进行加固;微桩群桩直径 d=300mm,桩距 3.8d;如图6所示。

3.3 加固计算分析

采用 Algo对悬链线双曲连拱桥进行计算,中墩基础顶面压力最大时,水平力 25.31 kN,垂直力7 268 kN;弯矩最大时,水平力 70.86 kN,垂直力7 170 kN。采用前述计算方法对微桩群桩进行计算,按单桩计算,水平承载力 53.45 kN,垂直承载力14 254kN;考虑群桩桩土的相互作用,水平承载力62.65 kN,垂直承载力14 887 kN。实测微桩群桩垂直承载力15 263 kN。

4 结论

文中采用的微型群桩桩土相互作用 SOLID45实体有限元模拟分析计算方法,计算条件明确,不受试验条件等因素的影响,因此,结果不带偶然性,易于归纳和分析;其结果是整个求解域内的应力场、位移场等,能比较全面、细致地反应出桩及岩土体的受力及变形情况;与试验方法相比,其最大优势在于计算周期短,费用低,易于改变计算参数以满足不同的计算目的。计算结果与文献[6]、文献[7]中试验实测数据完全吻合,基于 ANSYS的微型群桩桩土相互作用的模拟分析计算方法可供同类结构计算参考。

[1] 林天健,熊厚金,王利群.桩基础设计指南[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.

[2] 李 瑜.桩与土相互作用体系有限元研究初探[D].南京:河海大学,2003.

[3] 赵 伟.桩土相互作用的数值分析及计算机模拟[D].辽宁:辽宁工程技术大学,2002.

[4] 李 围.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[5] 杨爱文,罗丽娟,李伟平.桩土相互作用及单桩承载力确定模拟研究[J].地质灾害与环境保护,2004,15(4):66-69.

[6] 张晓江.微桩工作性状及其在桥梁工程中的应用研究[D].河北:石家庄铁道学院,2007.

[7] 王成雷,王建华,冯士伦.土层液化条件下桩土相互作用 p-y关系分析[J].岩土工程学报,2007,29(10):1500-1505.