公路桥梁群桩基础竖向承载特性研究.pdf
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1、总658期2023年第28期(10月 上)0 引言桩基础在实际应用时,一般是以群桩的形式出现。在竖向荷载作用下,桩基础顶部不仅承受从承台传递过来的荷载,各个桩基间也通过桩间土相互作用、协调变形,产生“群桩效应”。基桩间的相互影响导致了群桩的承载性能与单根桩基础有明显区别,国内外许多学者利用模型试验、数值模拟等手段研究了桥梁群桩基础的承载特性。但是,由于群桩变形机理的复杂性,目前尚未形成统一的理论来指导桥梁群桩基础的设计。部分设计人员在开展桥梁群桩基础设计时,也多参考类似项目的设计参数,不重视群桩基础的承载力特性验算,导致设计方案不合理,存在一定的安全隐患1。因此,进一步研究公路桥梁群桩基础的竖
2、向承载特性具有重要的工程意义。1 公路桥梁群桩类型及承载力计算方法1.1 群桩基础类型根据荷载传递方式不同,公路桥梁群桩基础可分为端承型群桩、摩擦型群桩两类。由端承桩组成的群桩,桩端持力层较坚硬,大部分竖向荷载可通过桩身直接传递到桩端持力层。此时,可认为端承型群桩中各桩的工作性状与单桩相近,可不考虑“群桩效应”,即端承型群桩基础承载力近似等于单桩承载力与桩根数的乘积。对于摩擦型群桩,在荷载传递期间工作机理复杂。桩侧摩阻力在土体中产生的附加应力会通过桩周土体扩散,使桩端处压力分布范围远大于桩身截面积,从而导致群桩基础中的各桩传递到桩端处的应力产生叠加(大于单桩压力)。此时,群桩基础的承载力一般小
3、于各单桩承载力之和2。1.2 群桩基础承载力计算1)群桩效应系数法根据桩基工程手册,群桩基础承载力Qu可用群桩效应系数来修正,按式(1)(2)计算:Pu=nQu(1)Qu=2Qa=ui=1nqikli+Apqr(2)式(1)(2)中:为群桩效应系数;n为群桩基础中的基桩根数;Qu、Qa分别为单桩竖向承载力极限值和特征值,单位kN;u为基桩周长,单位m;li为承台底面下第i层土的厚度,单位m;qik为与li对应的桩侧摩阻力,单位kPa;Ap为桩端面积,单位m2;qr为桩端土承载力。群桩效应系数法计算简单,但是参数不易测定,与桩间距、桩长、桩径、地质条件等因素密切相关,在实际应用中一般取当地经验值
4、。2)数值模拟法采用数值模拟法是将群桩基础视为一个整体进行计算,能准确模拟桩身及桩周复杂岩土体,具有成本低、计算效率高、可重复性好等优势,能在有限时间内计算多个工况下的群桩基础承载特性。同时,数值模拟法可以自定义材料本构模型,考虑桩周岩土体的应力历史、边界条件等因素对群桩基础承载特性的影响。2 公路桥梁群桩有限元模型建立2.1 工程概况本文以某公路桥梁为研究对象,利用有限元软件ABAQUS 分析了不同工况下群桩基础的竖向承载特性(不考虑群桩基础施工影响)。该桥梁设计速度80 km/h,设计荷载为公路I级,桥梁安全等级为一级,设计使用年限100年,抗震设防烈度取度。桥梁主桥长240 m,收稿日期
5、:2023-02-21作者简介:何水龙(1995),男,江西赣州人,工程师,从事路桥设计工作。公路桥梁群桩基础竖向承载特性研究何水龙(广东省建筑设计研究院有限公司,广东 广州 510010)摘要:为提升公路桥梁桩基设计水平,总结了群桩基础的类型和承载力计算方法,并依托某公路连续箱梁,利用有限元软件ABAQUS建立三维计算模型,采用分级加载的方式探讨了桩基础直径和桩间距对群桩竖向极限承载力的影响。研究表明,公路桥梁群桩竖向极限承载力随桩径、桩间距的增大而增加,在设计时要根据桥梁承载需求选择合适参数。关键词:公路桥梁;群桩基础;有限元;承载特性;极限承载力中图分类号:U445文献标识码:B142交
6、通世界TRANSPOWORLD跨径组合为(60+120+60)m;上部结构为预应力混凝土连续箱梁,混凝土等级取C40。下部结构采用双薄壁空心墩,桥台为重力式桥台,混凝土等级取C40;基础采用钻孔灌注桩基础,桩身混凝土等级取C40。为充分发挥该群桩基础的竖向承载力,拟对其设计参数进行优化。根据勘察报告,桥位区域内的地基土从上至下分别为杂填土、粉质黏土、强风化粉砂岩、中风化砂岩,层底埋深分别为0.8、2.6、7.6、30 m,承载力容许值分别为50、100、300、550 kPa,桩侧土强度标准值分别为10、30、100、150 kPa。由此可知,该桥梁地层整体较弱,建议以中风化砂岩作为桥梁桩基础
7、持力层,桩端进入持力层深度不小于1 m。2.2 有限元计算模型建立1)几何模型为避免边界效应对群桩基础计算模型的影响,桩下影响深度取二分之一桩长,土体水平方向取桩径的20倍。考虑到结构的对称性,只取四分之一结构展开讨论。需注意,群桩基础建模时X、Y轴为径向方向,Z轴为垂直方向。2)本构模型桩体和岩土体的本构模型会直接影响计算结果准确性,如选择不当,可能导致模拟结构与实际受力存在差异。桩体本构模型:桩基础中的钢筋和混凝土材料弹性模量远大于桩周岩土体的弹性模量。在竖向荷载作用下,基桩一般是出现弹性变形,故在计算时可将桩基进行适当简化,视作连续、均匀、各向同性的实体,通过将混凝土弹性模量乘以适当倍数
8、来体现钢筋的作用。此时,桩体本构模型可选用线弹性模型3。岩土体本构模型:ABAQUS软件中内置了Drucker-Prager 模型、Mohr-Coulomb 模型、剑桥模型等岩土体本构模型,其中Mohr-Coulomb模型计算速度快、收敛性好、计算参数容易确定,能够准确模拟岩土体在荷载作用下的力学特性,故计算时岩土体本构模型选用Mohr-Coulomb模型。3)边界条件和接触关系边界条件:为使模拟环境更贴合实际情况,对土体底面进行固定(同时约束X、Y、Z三个方向),将桩基础顶面及土体顶面设置为自由面。接触关系:群桩基础是用实体单元模拟并嵌入地层中发挥作用,必须考虑桩基础与土的接触关系。ABAQ
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