灌注桩参数变化对边载荷影响研究

（国家投资项目评审中心 北京 100037 中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230601）

挡土墙后高填土引发的边载荷可能导致沉降或不均匀沉降等问题，直接影响水工建筑物安全运行[1-3]。在工程设计施工中采取相应措施减小边荷载的影响显得十分必要。挡土墙下设置灌注桩能有效减弱边载荷影响，此结构以桩体作为挡土墙结构的基础，一般称作桩基础挡土墙，解决了传统挡土墙必须依靠增大基础尺寸来提供抗倾覆反力、抗滑移反力和地基承载力不足的问题[4,5]。本文结合耿楼枢纽工程，采用模型数值模拟方法对岸墙后趾下灌注桩桩长、桩间距、桩径、桩排数等参数变化对边载荷影响进行研究。

1 工程概况

耿楼枢纽由节制闸和船闸组成，节制闸布置在船闸南侧。节制闸为II 等大（2）型工程，20年一遇设计流量3910m3/s，50年一遇校核流量4770m3/s。闸室总宽110.06m，共12 孔，单孔净宽7.5m，顺水流方向长24m。闸室两侧分别布置桥头堡，桥头堡内布置电气设备及水闸集中控制系统。工作闸门采用平面钢闸门，启闭机选用卷扬式启闭机。

2 模型概况

结合耿楼枢纽节制闸工程实际，本研究在利用MIDAS GTS NX 模型模拟计算时，选用的本构模型有线弹性模型（闸室、岸墙、翼墙、垫层和灌注桩）、莫尔-库伦模型（粉质壤土、砂壤土、粉质粘土和细砂）和修正莫尔-库伦模型（回填水泥土）。由于混凝土与土体弹性模量差别较大，为模拟不同材质在同等应力作用下的变形，本研究采用无厚度接触面单元（Goodman 单元）。

2.1 模型简化说明

为提高模型计算效率，并尽可能保证结果准确，本研究对节制闸岸墙、翼墙有限元计算模型采取以下简化假设：

（1）分析节制闸岸墙后趾下灌注桩对高填土边载荷影响时，将闸室和岸墙作为研究对象。

（2）建模过程中，未考虑地下水及其渗流影响，不考虑土体的排水与固结，不考虑时空效应；施工阶段设置到完建期，未考虑运行期水压力的影响。

（3）为了简化计算，模型中各种材料均是均质各向同性；灌注桩采用梁单元模拟。

（4）三维整体基本模型中的土层假定为成层土，忽略各土层的起伏变化。

（5）考虑到节制闸左、右岸对称性，因此仅对节制闸左岸进行三维整体建模。

2.2 模型构建

模型总长400m，约为建筑物长度的4 倍；模型总宽300m，约为建筑物宽度的3 倍；深度方向取60m。混凝土灌注桩以0.5m 进行尺寸控制并划分网格；闸室，岸墙，上、下游翼墙及回填水泥土以3m进行尺寸控制并划分网格；地基土层以5m 进行尺寸控制并划分网格（最下层土体按10m 控制尺寸并划分网格）。模型整体及岸墙、翼墙和灌注桩的网格划分分别如图1和图2所示。

图1 整体网格划分图

图2 岸墙、翼墙和灌注桩网格划分图

2.3 载荷条件

模型荷载条件：（1）自重荷载。模型参考坐标系定位整体直角坐标系，Gz轴重力分量定义为-1，Gx和Gy轴方向重力分量定义为0；（2）外部荷载。闸室及岸墙上部施加道路荷载，设置均布荷载为12kN/m2。

3 结果分析

3.1 桩长对边载荷减弱效果的影响

在分析桩长对岸墙稳定性的影响时，建立了以桩长为唯一变量的5 个模型，结构参数如表1所示。通过5 个模型模拟结果的比较，分析桩长对岸墙竖向位移和水平位移的影响。

表1 桩长因素分析组灌注桩参数表

不同桩长对岸墙竖向位移和水平位移的影响如表2所示。在灌注桩桩径、桩间距、桩排数等参数相同条件下，桩长增加，最大沉降量、前后趾沉降差及墙顶水平位移逐渐减小，但减小幅度逐渐减少。因此在满足工程规范、施工质量条件下，适当增加灌注桩桩长有利于减弱边载荷的影响。

表2 不同桩长对岸墙竖向位移和水平位移的影响表

3.2 桩间距对边载荷减弱效果的影响

在分析桩间距对岸墙稳定性的影响时，建立了以桩间距为唯一变量的4 个模型，结构参数如表3所示。通过4 个模型模拟结果的比较，分析桩间距对岸墙竖向位移和水平位移的影响。

表3 桩间距因素分析组灌注桩参数表

不同桩间距对岸墙竖向位移和水平位移的影响如表4所示。在灌注桩桩长、桩径、桩排数等参数相同条件下，桩间距增加，最大沉降量、前后趾沉降差及墙顶水平位移逐渐减小。在灌注桩其他参数不变的情况下，桩间距越大，灌注桩抑制边载影响的效果越好。这是由于当灌注桩的间距过小时，群桩效应加剧。耿楼枢纽节制闸坐落在软土地基上，灌注桩的承载性状表现为摩擦型桩，适当增大桩间距减小群桩效应，有利于减小边载荷影响。

表4 不同桩间距对岸墙竖向位移和水平位移的影响表

3.3 桩径对边载荷减弱效果的影响

在分析桩径对岸墙稳定性的影响时，建立了以桩径为唯一变量的5 个模型，结构参数如表5所示。通过5 个模型模拟结果的比较，分析桩径对岸墙竖向位移和水平位移的影响。

表5 桩径因素分析组灌注桩参数表

不同桩径对岸墙竖向位移和水平位移的影响如表6所示。在灌注桩的桩长、桩间距、桩排数等参数相同情况下，桩径增大，最大沉降量、前后趾沉降差及墙顶水平位移逐渐减小，但减少幅度较小。可见桩径大小对岸墙的沉降、不均匀沉降和水平位移影响效果并不明显。因此，在工程实践中应选用合适桩径以节约工程造价。

表6 不同桩径对岸墙竖向位移和水平位移的影响表

3.4 桩排数对边载荷减弱效果的影响

在分析桩排数对岸墙稳定性的影响时，建立了以桩排数为唯一变量的4 个模型，结构参数如表7所示。通过4 个模型模拟结果的比较，分析桩排数对岸墙竖向位移和水平位移的影响。

表7 桩排数因素分析组灌注桩参数表

不同桩排数对岸墙竖向位移和水平位移的影响如表8所示。在灌注桩的桩长、桩径、桩间距等参数相同情况下，增加桩排数，最大沉降量、前后趾沉降差及墙顶水平位移逐渐减少，且变化幅度较大。桩排数由1 排增大到2 排时变化最显著，随着桩排数继续增加，边载荷影响随之减小，但减小幅度逐渐变小。因此，在工程实践中建议布置为单排桩或双排桩以减小高填土的边载荷影响。

表8 不同桩排数对岸墙竖向位移和水平位移的影响表

4 结语

本文结合耿楼枢纽工程，借助模型数值模拟方法对岸墙后趾下灌注桩桩长、桩间距、桩径、桩排数等参数变化对边载荷影响进行研究，可以得出以下结论：

（1）其他参数条件不变情况下，增加灌注桩桩长和桩排数有利于减小岸墙后高填土引发的边载荷影响。

（2）其他参数不变的情况下，桩间距越大，灌注桩抑制边载影响的效果越好。适当增大桩间距减小群桩效应，有利于减小岸墙后高填土引发的边载荷影响。

（3）其他参数不变的情况下，增大桩径对减小岸墙后高填土引发的边载荷影响不明显。因此，在工程实践中应选用合适桩径以节约工程造价。