橋梁樁基礎樁距優(yōu)化設計淺析
2016-11-07
樁基是一種古老、傳統(tǒng)的基礎形式，又是一種應用廣泛、生命力很強的基礎形式。最早使用的是木樁。隨著我國橋梁建設事業(yè)的迅猛發(fā)展，大跨徑橋梁不斷涌現(xiàn)，對基礎承載能力的要求也越來越高，而樁基礎具有承載力高、沉降量小而均勻，且對地質(zhì)條件適應性強等優(yōu)點，使得樁基礎得到了廣泛的應用。近二十年來，由于工程建設和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，樁的類型和成樁工藝，樁的承載力與樁體結(jié)構(gòu)完整性的檢測，樁基的設計計算水平，都有較大提高。在實際工程中，設計采取樁基礎的原因不外乎有兩個:或是因為天然地基的承載力不夠，需要采取樁基礎將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳到深層土或支撐于堅硬持力層上；或是因為天然地基土在上部荷載作用下將發(fā)生較大的沉降變形，需要采取樁基礎來減少沉降。絕大多數(shù)情況下，樁基礎設計時采用的是承臺一樁群體系（即群樁基礎）。因此，群樁承載力及相應沉降成為工程設計所關注的焦點。
1 樁基礎數(shù)值優(yōu)化
在計算模型中，土體被簡化為理想均質(zhì)、各向同性體。土體的計算范圍取為:樁底下方選取一倍樁長，側(cè)向邊界也取一倍樁長?；炷翗洞怪痹O置于土體之中，樁與承臺之間采用剛性連接。承臺被簡化為絕對剛性體。樁土之間不設置接觸面，無相對滑動，樁與土體共用節(jié)點，完全接觸。承臺、樁和土體均采用ANSYS程序中的八節(jié)點六面體等參單元來建模。荷載采用分級施加的方式，以模擬實際加載方式。
對于大多數(shù)群樁基礎來說，主要是由于樁周土體出現(xiàn)大片塑性區(qū)，使得群樁位移過大而影響結(jié)構(gòu)物的使用功能，此時樁與承臺仍處于彈性變形階段?；炷翗洞怪痹O置于土體之中，樁與土體采用共用節(jié)點的方法。上部結(jié)構(gòu)的自重荷載施加于承臺頂所有節(jié)點上，該荷載包括兩部分:上部結(jié)構(gòu)自重和橋墩自重。實際的計算模型進行模擬分析時只考慮到一定的土體范圍，所以土體邊界采用對節(jié)點進行固定的方法:土體底面節(jié)點只固定沿樁長方向的位移，土體側(cè)面節(jié)點固定與樁長方向垂直的平面內(nèi)的兩個方向的位移。
2 單排群樁相互作用模擬設計優(yōu)化
對單樁進行了模擬分析，用位移控制法得出了單樁的極限承載力；在極限承載力作用范圍內(nèi)，得出了單樁的荷載一位移曲線、軸力圖曲線、單樁土體位移云圖和單樁土體應力云圖，并分析了剛度比的變化對單樁受力特性的影響，為與群樁的對比分析準備了基礎資料。
單樁的模擬分析使用ANSYS有限元程序來進行，因為沒有實際的工程地質(zhì)資料可以借鑒所以采用資料上的土體參數(shù)進行分析。單樁豎向承載力是指單樁所具有的承受豎向荷載的能力，其最大的承載能力稱為單樁極限承載力，可由單樁豎向靜載試驗測定，也可用其他的方法（如規(guī)范經(jīng)驗參數(shù)法、靜力觸探法等）估算。單樁豎向承載力包括地基土對樁的承載能力和樁的結(jié)構(gòu)強度所允許的最大軸向荷載兩個方面的涵義，以最小值控制樁的承載性能。一般情況下，樁身材料強度計算單樁豎向承載力要遠大于按土對樁的承載力確定的單樁豎向承載力。所以在一般情況下，樁的承載力主要受地基土的支承能力所控制，樁身材料強度往往不能充分發(fā)揮，只有在特殊情況下，樁身材料強度才起到控制作用。
極限荷載往往與樁的下沉量有聯(lián)系，因此常以規(guī)定樁頂下沉量的方法來確定極限荷載。在使用ANSYS建好有限元模型之后，對樁逐級施加豎向荷載，記錄單樁在各級荷載作用下的樁頂位移，求得樁的荷載一位移曲線關系，用以分析確定單樁的極限承載力。樁端持力層性質(zhì)不同的大直徑樁都具有相似的荷載一沉降特性，都屬于緩變型，不顯示明顯的破壞特征點。樁側(cè)阻力都在較小樁頂沉降下發(fā)揮出來，而端阻力隨沉降增大而逐漸發(fā)揮并不顯示極限特征點。因此，根據(jù)靜載試驗曲線確定大直徑樁的承載力特征值時，通常取對應的荷載為極限承載力。
在對單樁進行逐級加載時，隨著荷載的增加，樁底周圍土始終產(chǎn)生豎向位移。這說明樁端土不發(fā)生整體剪切破壞，而由土的壓縮機理起主導作用。即隨著荷載的增加，樁底以下土體產(chǎn)生豎向和側(cè)向壓縮，由此排除的土體積足以容納樁端的下沉體積，而不會導致土體形成通向樁端平面以上的連續(xù)剪切滑動面。這種以壓縮機理起主導作用的漸進破壞，因此極限承載力或容許承載力的確定一般應以位移控制。
3 多排群樁相互作用模擬設計優(yōu)化
本文用ANSYS有限元程序模擬分析方法分析兩種有代表性的樁型:六樁矩形承臺群樁和九樁方形承臺群樁。對于鉆孔灌注樁，規(guī)范規(guī)定其最小樁距為2.5d，故樁間距也采用1.5、2、2.5、3倍樁的直徑。
六樁的模擬分析同樣通過ANSYS有限元程序來進行，其中樁的幾何尺寸和力學參數(shù)與單樁分析時相同，土的物理力學指標仍按單樁分析時取值。對六樁矩形承臺群樁基礎所進行的模擬計算同樣獲得樁頂?shù)暮奢d一沉降曲線和載荷為36000KN時四種不同樁距的各基樁軸力圖、樁間土體的位移和應力云圖。
對九樁方形承臺群樁基礎所進行的模擬計算同樣獲得樁頂?shù)暮奢d一沉降曲線和載荷為54000KN時四種不同樁距的各基樁軸力圖、樁間土體的位移和應力云圖，。為了準確分析樁距變化時相鄰樁之間的應力重疊對樁間土的位移和變形的影響，故取A（z0時中樁與邊樁之間的中心點）、B（z0時邊樁與角樁之間的中心點）在不同荷載和不同樁距下的位移和應力進行對比。
樁基的荷載一沉降關系是群樁基礎工作性能及群樁效應的綜合反映。因此，不論排數(shù)和樁數(shù)的多少，群樁基礎的承載能力都隨著樁距和承臺的增大而提高。
4 結(jié)語
與單樁相比，群樁基礎中由于樁與樁之間的相互作用使樁的沉降和軸力、樁間土體的應力位移都有所增大，且隨排數(shù)和樁數(shù)的增多而增大。剛度比對樁的沉降和軸力有較大影響，且隨其呈正比變化。隨著剛度比的減小，樁周土體位移減小，但是樁周土體應力有增大的趨勢。隨著樁距的增大，群樁的沉降變小，樁間土體的應力位移也減小，群樁的承載力明顯提高，各基樁的軸力逐漸增加。
參考文獻
?。?］李克訓.基礎工程（第二版）［M］.北京:中國鐵道出版社.2003.
