潮汕车站桩—网复合地基管桩承载性状数值分析

于进江，程谦恭，李成辉，吴九江，文 华

(1．西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031;2．中铁十九局集团有限公司，辽宁 辽阳 111000;3．西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010)

桩—网复合地基在外荷载作用下，由于土工格栅的存在，桩、桩间土和土工格栅相互作用较为复杂，有必要对桩—网复合结构的作用机理进行研究。为此，陈凯杰、雷学文［1］在充分考虑桩—网—土协同作用的基础上，分析了影响桩—网结构路基桩土应力比的主要因素及影响规律。鲁长亮等［2］利用Carlsson的土楔理论与加筋单元的受力平衡条件，推导出桩网结构路基桩土应力比的计算式。连峰等［3］深入分析了桩—网地基的沉降变形、荷载传递、桩土应力比和网的受力等性状。张栋、臧延伟［4］分析研究了桩—网复合结构桩间土应力和桩土应力比随填土高度增加的变化规律。

目前的研究［5-7］大多针对一般条件下的路基处理情况，对于铁路站场区超大面积深厚软土桩—网复合结构的研究比较缺乏。本文针对潮汕车站大面积桩—网复合地基，运用FLAC3D进行数值模拟，分析了桩—网复合地基的荷载传递及应力分布规律，为超大面积深厚软土地区桩—网复合结构的设计和施工提供参考依据。

1 模型的建立

本文以潮汕车站断面一(DK205+870)为研究对象，根据该地区实际地质情况，将地层进行了相应的简化，如图1所示。

为了比较不同的桩间距和桩帽对应力传递的影响，建立3种对比工况，工况1为桩间距2.5 m，正方形布置，有桩帽;工况2为桩间距2.5 m，正方形布置，无桩帽;工况3为桩间距3.5 m，正方形布置，有桩帽。其中工况1与现场情况一致。

考虑到路基横断面沿路基中心是对称的，模型按半断面建立。地基土的计算宽度为半路基宽度的3倍，地基土的计算深度为 56 m，为最大桩长的2倍。纵断面选取2倍桩间距作为计算范围，如图2所示。

图1 路基横断面示意(单位:m)

2 管桩承载性状分析

2.1 桩身轴力特性

选取桩间距2.5 m有桩帽为模型，管桩位置如图1所示。采用桩单元内置函数 sp_force(pp，e，d)提取一号管桩、六号管桩、八号管桩轴力数据，分析不同填土高度、不同管桩位置下，管桩桩身轴力沿桩埋深的传递曲线。

图2 桩网复合结构数值计算模型(单位:m)

由图3可知，0～11 m段:其荷载由桩和桩间土共同承担，桩身轴力较小，随着深度的增加，荷载逐渐由桩身承担，桩身轴力呈线性增大;11～24 m段:桩身轴力较大，轴力曲线近似为直线，随着深度的增加，基本上保持不变;24～28 m段:桩身轴力沿深度呈线性减小，其荷载逐渐转由摩阻力和端阻力承担。

在不同填土荷载作用下，填土高度较小时，轴力曲线近似为直线，传递到桩端的荷载很小。随着填土高度增大，轴力曲线逐渐变成弯曲的弧线，而且曲率越来越大，尤其是在桩端处，此时摩阻力得到很大程度的发挥。

从图3可以看出:一号、六号和八号的管桩轴力沿桩埋深传递曲线规律基本是一致的。随着距路基中心位置的增大，桩身轴力逐渐减小。

2.2 摩阻力分布特性

选取桩间距2.5 m有桩帽为模型，采用桩单元内置函数sp_rstr(pp，s，e)提取一号管桩、六号管桩、八号管桩摩阻力数据。

由图4可知，0～11 m段:除桩顶附近外，摩阻力为负摩阻力，摩阻力沿深度呈线性增加，达到最大值后，摩阻力沿深度保持不变，桩土相对位移较小，其负摩阻力得到了很好的发挥。继而负摩阻力呈线性减小。负摩阻力曲线整体呈“梯形”变化;11～24 m段:摩阻力相对来说很小，沿深度没有太大变化。桩土相对位移发挥不明显，其摩阻力没有很好的发挥;24～28 m段:摩阻力为正摩阻力，随着深度增加，摩阻力呈线性增大，桩端底部达到最大值。桩土相对位移较大，其摩阻力得到了充分的发挥。

图3 桩身轴力沿桩埋深的传递曲线

在不同填土荷载作用下，填土高度较小时，摩阻力曲线近似为直线，摩阻力发挥很小。随着填土高度增大，摩阻力曲线逐渐变成弯曲的弧线，而且曲率越来越大，尤其是在桩端处，摩阻力得到很大程度的发挥。

从图4可以看出，一号、六号和八号管桩摩阻力沿桩埋深传递曲线规律是一致的。随着距路基中心位置的增大，摩阻力逐渐减小。

2.3 荷载分担比曲线特性

图5中的总荷载为桩帽上每个单元的竖向应力乘以对应的单元面积的总和，摩阻力由接触面上每个单元的剪应力与对应单元面积乘积的总和得到，端阻力由最后一个单元的轴力减去该单元上的摩阻力所得。

随着荷载的增加，端阻力呈减小趋势，由荷载分担比的68%减小到51%;摩阻力呈增大趋势，由荷载分担比的32%增大到49%。从端阻力和摩阻力的荷载分担比发展趋势可知:当桩达到极限承载能力时，摩阻力的荷载分担比将继续增大超过50%，可以判断桩—网复合地基中管桩为端承摩擦桩。

图4 摩阻力沿桩埋深的传递曲线

图5 荷载分担比分布曲线

3 管桩承载性状影响因素分析

3.1 管桩轴力影响分析

图6为三种模型桩身轴力沿桩埋深的传递曲线，随着填土高度的增加，桩身轴力逐渐增大。三种不同模型其轴力沿桩埋深的传递曲线形状基本一致。由此可知，在相同填土高度下，桩间距越大，桩身轴力越大，桩帽对桩端一定深度的轴力产生影响，超过某一深度，有无桩帽模型曲线基本重合。无桩帽时，桩端轴力最大。

图6 三种模型桩身轴力沿桩埋深的传递曲线

3.2 管桩摩阻力影响分析

图7为三种模型摩阻力沿桩埋深的传递曲线，由图7可知，随着填土高度的增加，摩阻力逐渐增大。三种不同模型其摩阻力沿桩埋深的传递曲线形状基本一致。随着桩间距的增大，摩阻力增加，负摩阻力影响深度变大，正摩阻力得到提高，同时桩端阻力增大。桩帽对桩端一定深度的摩阻力产生影响，超过某一深度，有无桩帽模型曲线基本重合。无桩帽时，负摩阻力值最大。

图7 三种模型摩阻力沿桩埋深的传递曲线

4 结论

1)在不同填土荷载作用下，填土高度较小时，轴力曲线近似为直线，传递到桩端的荷载很小。随着填土高度增大，轴力曲线逐渐变成弯曲的弧线，而且曲率越来越大，尤其是在桩端处，摩阻力得到很大程度的发挥。

2)填土高度较小时，摩阻力曲线近似为直线，摩阻力发挥很小。随着填土高度增大，摩阻力曲线逐渐变成弯曲的弧线，而且曲率越来越大，尤其是在桩端处，摩阻力得到很大程度的发挥。同时，随着距路基中心位置的增大，摩阻力逐渐减小。

3)随着荷载的增加，端阻力呈减小趋势，由荷载分担比的68%减小到51%;摩阻力呈增大趋势，由荷载分担比的32%增大到49%。

4)在相同填土高度下，桩间距越大，桩身轴力越大，桩帽对桩端一定深度的轴力产生影响，超过某一深度，有无桩帽模型曲线基本重合。无桩帽时，桩端轴力最大。

5)随着桩间距的增大，摩阻力增加，正、负摩阻力影响深度均变大，同时桩端阻力增大。桩帽对桩端一定深度的摩阻力产生影响，超过某一深度，有无桩帽模型曲线基本重合。无桩帽时，负摩阻力值最大。

［1］陈凯杰，雷学文．桩—网复合地基桩土应力比的影响因素分析［J］．土工基础，2006，20(1):57-59．

［2］鲁长亮，黄生文，朱树彬．桩承土工加筋地基桩土应力比计算及其优化设计［J］．西部探矿工程，2005(5):43-45．

［3］连峰，龚晓南，崔诗才，等．桩—网复合地基承载性状现场试验研究［J］．岩土力学，2009，30(4):1057-1062．

［4］张栋，臧延伟．桩网复合结构桩间土应力计算方法研究［J］．铁道工程学报，2009(7):25-28．

［5］冯小刚．预应力管桩在复合地基工程中的应用［J］．铁道建筑，2010(9):78-80．

［6］高胜利，魏宏，刘天福．路堤荷载下带帽桩—网复合地基桩土应力比研究［J］．铁道建筑，2010(12):63-65．

［7］雷金波，陈超群．带帽控沉桩复合地基优化设计及其工程应用［J］．铁道建筑，2011(1):66-69．