有限元模拟褥垫层厚度对新建桩基的影响

高富春，瓮文芳，张　鹏

(1.华电福新能源股份有限公司，北京　100031；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安　710065)



有限元模拟褥垫层厚度对新建桩基的影响

高富春1，瓮文芳2，张鹏2

(1.华电福新能源股份有限公司，北京100031；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安710065)

某基础改造项目拟在原位置施工PHC(预应力高强混凝土)桩基础，未完全拆除的P&H(预应力混凝土)基础会对新建桩基的竖向受力产生影响。文章通过有限元方法，对该问题进行模拟，结果表明：P&H基础的存在会使新建桩所受竖向压力减小，拔力增大，对桩基受力十分不利。为消除此影响，在P&H基础与新建承台之间铺设一定厚度的褥垫层。通过有限元模拟，计算不同垫层厚度下新建桩基竖向受力值，并与改造设计的承载力特征值比较，以确定合适的垫层厚度。

P&H基础；协调作用；桩竖向受力；褥垫层;厚度；有限元模拟

0　前　言

在刚性基础与相对柔性基础组成的复合地基中，一般通过设置褥垫层以达到两者协调变形，共同承担上部荷载的目的。褥垫层的原理，基于Tokoy于1997年所做的桩与承台共同作用的试验，当桩与承台留有空隙，荷载只通过承台传给地基，沉降超过5 mm时，桩才参与工作。李小青等[1-2]通过探究褥垫层设置的必要性和调节作用，从变形协调的角度分析了垫层发挥作用的原因，并给出褥垫层厚度的计算方法。复合地基中刚性和柔性桩基分担荷载的比例与桩的刚度紧密相连，曹卫平等[3]根据竖向荷载下桩的变形特征，基于最小势能原理，推导桩的抗压刚度计算公式，即桩顶发生单位位移时需要施加在桩顶的竖向荷载大小。

本文基于实际工程，将垫层发挥作用的原理，应用在P&H(预应力混凝土)基础和新建PHC(预应力高强混凝土)桩的协调工作中。通过ABAQUS有限元模拟计算验证垫层设置的必要性，并确定合适的垫层厚度，使新建桩基竖向力满足设计承载力要求。

1　工程概况

某工程为风机基础改造工程，原基础采用P&H基础，鉴于基础螺杆陆续出现无规则断裂，对采用此种基础进行改造设计。改造方案为桩基础重新设计施工。由于征地限制，只能拆除上部P&H基础，在原机位采用群桩基础混凝土承台的基础型式，并在其上浇筑承台，周围新建PHC预应力混凝土管桩。承台直径为18 m，PHC管桩布置直径16.8 m。改造设计如图1所示：

采用CFD风力工程计算软件设计计算时，仅能计算布置在承台外圈的PHC桩，不能考虑原P&H基础的影响。实际上，改造后原P&H基础仍位于承台中心底部，其刚度相对于新建PHC桩较大，在群桩内力分配中的作用不可忽略。如前文所述，可以通过铺设褥垫层削弱P&H基础作用。本文通过计算P&H基础以及褥垫层厚度对新建桩基竖向受力的影响，确定合适的垫层厚度，作为设计计算的补充和参考。褥垫层采用级配碎石土，碎石土参数及配比参考文献[4]和褥垫层的相关文献[5-15]。

2　有限元建模计算

本文用ABAQUS有限元软件对新建基础与原P&H基础建模分析，研究改造后P&H基础以及褥垫层对新建桩基内力的影响，以确定合适的垫层厚度。在研究新建桩竖向受力的变化时，为简化计算，对新建桩的定义引入桩抗压刚度[3]的概念。

参数选择：承台、P&H基础、新建PHC桩和垫层均采用三维实体单元，垫层弹性模量取50 MPa。承台采用C40混凝土，弹性模量Ec= 3.25×104MPa，新建PHC桩采用Spring弹簧单元代替实体桩基，每根弹簧对应1根桩，弹簧刚度取桩抗压刚度[3]。P&H基础和承台之间接触定义为硬接触(hard contact)，受压时传递压力，出现受拉区时承台从P&H基础上脱开。由于ABAQUS模型中弹簧单元为图2中凸出部分，如图2所示。首先分别计算不考虑P&H基础作用、考虑P&H基础直接作用在承台上和考虑P&H基础作用在褥垫层上，之后计算当垫层厚度在100～800 mm范围内变化时相对应新建PHC桩竖向受力的变化。前者研究无褥垫层时P&H基础对新建桩基竖向受力的影响；后者通过比较，确定合适的褥垫层厚度。

由于机型不同，基础上加载荷载分为2种，即机型1和机型2载荷。本模拟主要考虑起控制作用的极端荷载工况下的弯矩Mxy、竖向力Fz和水平力的作用Fx，见表1。

表1　不同类型的风机作用在基础上的载荷表

3　计算结果及分析

由于计算的工况类型和改造基础个数均比较多，本文仅列出10台机位计算结果。据此分别讨论P&H基础以及褥垫层厚度对新建桩内力的影响，确定合适的褥垫层厚度。

3.1考虑P&H基础对桩内力的影响

以10号机位(2类荷载，21根桩)为例，分别采用：① 不考虑P&H基础作用;② P&H基础直接作用在承台上;③ 铺设100 mm厚的褥垫层；④ 铺设450 mm厚的褥垫层。4种情况进行计算，结果见表2，10号机位桩竖向受力如图3所示。桩竖向力压力为负值，拔力为正值，横坐标为承台21根桩分别对应的桩编号，横坐标轴以上的点表示受拔力的桩。当不考虑P&H基础作用时，拔力较小，大部分桩均处于受压状态，满足承载力要求；当考虑P&H基础直接作用在承台上时，拔力最大值由236.5 kN增大到742.4 kN，大于设计抗拔承载力特征值520 kN(见表3)，不能满足设计要求；为消除P&H基础的影响，在P&H基础与承台之间铺设一定厚度的褥垫层，铺设100 mm厚的褥垫层后拔力降至623.5 kN，铺设450 mm厚的垫层显著降低至401.9 kN，小于抗拔承载力特征值，满足设计要求。其余机位基础计算结果均呈现相同的趋势。

P&H基础相对于新建PHC桩刚度大得多，分担的上部竖向荷载也相对较大，一旦发挥作用，PHC桩竖向压力就会小很多。P&H基础位于中心，与承台之间没有直接连接，大部分弯矩仍由PHC桩承担。因此，竖向力和弯矩作用下，受拉区桩出现拔力或拔力增大，抗拔承载力不足的问题凸显。

表2　3种不同情况下PHC桩竖向力计算结果表　/kN

表3　不同褥垫层厚度下PHC桩竖向力计算结果表　/kN

褥垫层的铺设，可以使PHC桩内拔力较无褥垫层时明显减小，此处褥垫层通过自身变形起到协调作用，削弱P&H基础的影响，使新建PHC桩分担更多的竖向荷载。

3.2褥垫层厚度的确定

由表3的计算结果可以看出，随着褥垫层厚度的增加，新建PHC桩拔力减小，压力增大。上述褥垫层作用越来越明显，PHC桩受压桩数以及最大竖向压力增大，相应受拔桩数和相应最大拔力减小,见图4。受力状态在逐渐向不考虑P&H基础作用时的受力状态回归靠拢。从安全性和经济性两方面考虑，设计抗压和抗拔承载力特征值均得到满足时对应的褥垫层最小厚度，为褥垫层的合适厚度。垫层厚度应满足规范对褥垫层厚度的要求，且应考虑褥垫层变形引起的桩体刺入深度等相关因素。综合以上分析，褥垫层厚度取400～500 mm为宜。见图4。

4　结　语

P&H基础刚度较大，留在原位会对承台及周围基桩造成较大的影响，使设计计算与实际存在差距，对拔力的影响尤其明显，可能导致其不满足设计要求。通过铺设一定厚度的褥垫层，可以削弱P&H基础对新建PHC桩竖向受力的影响，且削弱程度随褥

垫层厚度的增大而加强，逐渐趋近于不考虑P&H基础作用考虑的受力状态。综合考虑多方面因素考虑，建议选取400～500 mm厚的碎石土作为褥垫层，使桩的受力达到设计允许的范围。

图3　P&H基础对新建桩竖向受力的影响图

图4　褥垫层厚度对新建桩竖向受力影响图

[1]李小青.复合地基的研究分析[D].武汉：中国地质大学，1999.

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Finite Element Based Simulation of Impacts by Bedding Cushion Thickness on Newly-built Pile Foundation

GAO Fuchun1, WENG Wenfang2, ZHANG Peng2

(1. Huadian Fuxin Energy Co., Ltd., Beijing100031,China; 2. Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)

PHC pile foundation is proposed to construct in which P&H foundation is not removed completely and may impact the vertical action of the newly-built pile foundation. By application of the finite element method, in the paper, the impact is simulated. The simulating result shows that the existing foundation may result in decrease of the vertical pressure of the newly-built piles and increase the uplift action. This is quite unfavorable to the foundation action. To eliminate these impacts, a bedding cushion with certain thickness between the P&H foundation and the newly-built pile cap is proposed to place. Through the finite element simulation, the vertical action of the newly-built pile foundation with different bedding cushion thickness is calculated. This calculating value is compared with the designed value of the bearing capacity so as to determine the thickness of the bedding cushion.Key words:P&H foundation; coordination function; pile vertical action; bedding cushion; thickness; finite element simulation

1006—2610(2016)04—0074—04

2016-05-10

高富春(1971- )，男，陕西省渭南市人，工程师，主要从事新能源领域建设与研究工作.

TU473.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.019