数值模拟在群桩基础评判标准确定中的应用*

薛涛 罗堂

(1.金陵科技学院 南京 211169； 2.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司 武汉 430071)



数值模拟在群桩基础评判标准确定中的应用*

薛涛1罗堂2

(1.金陵科技学院 南京 211169； 2.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司 武汉 430071)

群桩基础安全稳定性评判决策中各因子评判标准边界的确定是保证其模型正确构建的关键环节。由于安全监测系统无法测得这种警戒值，因此，本文采用基于ABAQUS软件的数值模拟方法，依据上部结构受力特点及使用要求来确定群桩基础安全稳定性判别决策因子的警戒值。仿真结果显示：该方法能可靠获取超大型深水群桩基础成桥后的基桩轴力不均匀性和差异沉降的最佳警戒值。

群桩基础 安全评判 数值模拟 警戒值

0 引言

超大型深水群桩基础工程往往结构构造复杂、建设条件恶劣、施工工艺复杂、安全隐患问题突出[1]。目前的规范均以小直径的中短桩为理论和试验基础，对于基桩长度和直径日益增大的超长桩来说，未能控制的问题还比较多。因此，超大型深水群桩基础在施工期及运营期内，均要求采用安全监控技术，即采用先进传感器技术得到工程现场各种效应的真实响应来进行控制[2-3]。在实际工程建设及运营活动中，影响工程安全性的因素非常复杂，这就需要分别对不同的因子进行单一目标安全状态的估计，并构建综合安全评判模型[4]，以获取群桩基础总目标状态的精确估计。由于传感器数量繁多、种类各异，影响群桩基础安全稳定性的各因子又具有很强的不确定性，故可采用模糊推理融合算法构建模型[5]。然而，该模型评判决策中各因子的评判标准边界难以确定，故本文拟采用数值模拟方法确定群桩基础安全稳定性判别决策因子中基桩轴力不均匀因子和差异沉降因子的警戒值。

1 安全评判决策因子的确定

超大型深水群桩基础监控系统安全监测主要包括：(1)群桩效应及其对桩基础安全稳定性的影响；(2)基桩桩顶轴力分布不均匀的原因及其对桩基础安全稳定性的影响；(3)沉降及差异沉降对桩基础安全稳定性的影响；(4)考虑群桩效应和大体积混凝土水化热影响的承台受力安全性；(5)河床冲淤及其演变规律对桩基础安全稳定性的影响[6-7]。

实际工程建设中，监测内容往往按照不同的效应指标由各类传感器完成。其中，桩的各种应力应变指标可以由应力应变传感器获取；承台沉降变形指标可以由微压及静力水准传感器获取；河床冲刷深度指标可以由水压力传感器获取；潮位及温度变化对结构的影响程度可以由潮位及温度传感器分别获取。安全评判时，则是利用获取的实测数据建立原因量和效应量之间的数学关系，再根据建立的预测模型对群桩基础的工作性状和安全稳定性做出合理、客观的评判和决策。故安全决策因子可以根据参与评判的响应量进行确定。本文主要以轴力分布不均匀性因子和差异沉降因子的模拟为例。

2 轴力分布不均匀性因子警戒值的确定

苏通大桥主塔墩群桩基础在竖向荷载作用下，承台、桩间土、桩端土共同工作，相互影响，群桩的工作性状趋于复杂。尤其是桩顶轴力，将随着承台荷载的变化重新分布，且不同位置桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥并不同步，因此，为了保证预测结果的可靠性，考虑用处于对称位置桩的桩顶轴力不均匀系数作为桩顶轴力分布不均匀因子的评判因子，并利用数值模拟计算得出的结果作为评判的警戒值。

2.1 模型的建立

该模型计算范围包括承台及群桩的自由段部分，考虑到结构及受力条件的对称性，取其1/2模型进行研究。模型尺寸与实际尺寸一致(1/2承台面尺寸为56.875 m×48.10 m)，承台底面标高为-12 m。基桩根据面积等效即刚度等效的方法简化为方柱，边长为2.48 m。

对称面的边界条件为：ux=ury=urz=0，群桩底部的边界采用全约束。索塔及上部结构荷载以力的形式施加在承台上，工况为成桥后。荷载可等效为垂直于承台表面的均布力、东西向弯矩及南北向弯矩(因纵桥向弯矩对警戒值的判断不会产生影响，故取纵桥向弯矩为0)。均布力大小为5.69×106Pa，横桥向弯矩为2.57×108N·m。

以垂直于桥轴线方向为x轴，东为正；纵桥向方向为y轴，北为正；垂向为z轴，上为正。承台在标高-2.4 m以下采用修正的六面体单元，-2.4 m以上部分由于其形状不规则，采用四面体单元，基桩采用六面体单元。其有限元模型如图1。

图1 有限元模型

2.2 计算参数选取

基桩和承台都采用弹性模型模拟，并将主要钢筋参数按体积等效弥散到混凝土中。桩的弹性模量为35.6 GPa，泊松比为0.167，重度取24 kN/m3。承台各部分参数见表1。

表1 承台各部分参数统计表

注：承台表层钢筋也弥散到混凝土中，本文未列出；第一层含七层钢筋。

2.3 警戒值的确定

由于群桩基础安全监控系统的各个响应量无法直接测得警戒值，而承台、桩、土存在共同作用，对于整个群桩基础来说，其真实的响应对于上部结构、承台、桩、地基都是统一的。因此，理论上，当群桩基础受到外荷载作用时，如果塔根处产生的拉应力达到了其抗拉强度，群桩基础就达到了警戒状态。模拟计算过程中，不断增加东西向弯矩，直到承台顶面(塔根处)出现拉应力，此时，上部荷载偏心达到索塔结构的极限状态，群桩基础也达到警戒状态。

为了能够获取群桩基础达到警戒状态的量化指标，定义承台桩顶轴力最大值(或最小值)与平均值的差比上平均值为轴力不均匀性系数，取二者之间最大值即可作为轴力分布不均匀性因子的警戒值。

(1)

通过计算得到警戒值为0.35。图2为最终的基桩轴力云图。

图2 基桩轴力云图

3 差异沉降因子警戒值的确定

苏通大桥索塔上部结构是高耸倒“Y”字型双塔肢结构，塔墩属超大型深水群桩基础，受力条件非常复杂，加之河床不均匀冲刷等因素的影响，导致基础出现差异沉降。而差异沉降将对索塔受力产生重要影响，导致差异沉降加剧。因此，在安全预测过程中，差异沉降因子被确定为评判群桩基础可靠性的决策因子。

3.1 模型的建立

该模型计算范围包括承台和索塔，考虑到受力条件的不对称性，采用整体模型，模型尺寸与实际尺寸一致，承台尺寸为113.75m×48.10m，索塔高度300.6m。承台底面标高为-12m，采用全约束边界。考虑到整个结构的复杂性，模型做了以下概化处理：承台及索塔材料参数均按同质材料选取，其中钢筋的参数按体积等效原则弥散到混凝土中；将各个索力以集中力的形式施加在索塔的相应位置。

x，y，z轴设置与第2节一样，整个模型采用四面体单元，共划分32 144个单元，有限元模型如图3。

图3 群桩基础及索塔网格及应力云图

3.2 计算参数的选取

承台和索塔都采用弹性模型，通过概化处理得到的参数如表2。

表2 参数统计表

3.3 警戒值的确定

由于苏通大桥属于超出规范建设的超大型工程，且缺乏相应工程经验进行借鉴，在工程建设过程中，主要以工程安全储备要求控制其沉降变形问题。为了能够对超大型群桩基础进行安全预测，考虑以差异沉降因子警戒值作为安全预测的控制指标之一。由于差异沉降对上部结构的影响是通过高耸结构基础的倾斜进行控制。因此，旋转索塔使其倾斜，当索塔混凝土结构出现受拉状况时，达到倾斜极限状态，计算此时承台的差异沉降，即可确定差异沉降的警戒值。具体做法是：首先确定索塔的旋转方式(横桥向或纵桥向)，再通过旋转模型来调整承台的倾斜角度，调整过程中角度由小变大，直到索塔混凝土表面出现拉应力为止(如图3)，最后，利用此时的倾斜角计算承台的相对沉降。

模拟结果显示：当上部结构混凝土受拉时，模型横桥向和纵桥向对应的倾斜角分别为1.1°和0.35°，差异沉降分别为130和30.2 cm。考虑结构受力的复杂性和不确定性，取安全系数为2，得到差异沉降值分别为65和15 cm，《建筑地基基础设计规范》规定：高耸结构(200 m

4 结论

(1)探讨超大型深水群桩基础安全评判决策因子确定方法，选出两个重要决策因子，即轴力分布不均匀性因子和差异沉降因子进行数值模拟计算。

(2)借助ABAQUS软件，在分析索塔、承台受力基础上，确定出两个重要决策因子的警戒值，解决了模糊推理融合算法中参数指标的确定问题，为超大型深水群桩基础安全评价及预警提供了可靠依据。

(3)利用数值模拟方法确定决策因子警戒值过程中，还需综合考虑结构传力特点、施工误差、设计要求等因素，对计算结果进行修正。

(4) 从不均匀沉降警戒值的确定结果看，苏通大桥索塔高度已经超过了规范规定，因此，有必要采用数值模拟的计算方法确定超大型群桩基础的安全评判因子的警戒值。

[1]任回兴，欧阳效勇，贺茂生，等.苏通大桥主塔深水基础的设计与施工[J]．中国工程科学，2009，11(3)：38-43.

[2]唐勇，陈志坚.大型群桩基础安全监测传感器选型优化[J].西南交通大学学报，2011,46(2)：247-251.

[3]张宁宁，陈志坚，陈元俊，等.PSI和CRI联合算法用于苏通大桥基础沉降监测[J].岩土力学，2012，33(7)：2167-2173.

[4]陈勇刚.基于模糊数学的机务维修中人的可靠性综合评价[J].工业安全与环保，2011，37(2)：57-59.

[5]党宏社，韩崇昭，王立琦，等.基于模糊推理原理的多传感器数据融合方法[J].仪器仪表学报，2004，25(4)：527-530.

[7]陈志坚，陈欣迪，唐勇，等．超大型深水群桩基础的传感器保护技术[J]．岩土力学，2012，33(11)：3509-3515.

Application of Numerical Simulation in Pile Group Foundation Evaluation Standard Determination

XUE Tao1LUO Tang2

(1.JinglingInstituteofTechnologyNanjing211169)

The determination of evaluation standard boundary in the group pile foundation stability is the key to ensure the correct construction of the model. Currently, the safety monitoring system can not measure the warning value. Therefore, in this paper, the numerical simulation method is adoped and according to the basis of upper structural mechanical characteristics and requirements, the warning value of security and stability discriminant factors for pile group foundation is determined. The simulation shows that the method can obtain the best warning value for super-large deep-water pile group foundation after finished-bridge, aimed at the heterogeneity of pile axial force and uneven settlement.

pile group foundation security evaluation numerical simulation warning value

金陵科技学院博士科研启动基金(jit-b-201209)。

薛涛，女，1966年生，副教授，工学博士，主要从事岩土体及地基基础安全监测研究。

2016-02-15)