桩基础竖向承载力力学特性及影响因素研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.3（上）-114-工 程 技 术桩基础由于承载力大和变形小的优点被广泛应用于工程建设中。研究表明，桩基础可以有效控制上部结构的变形从而保证结构的稳定性。针对桩基础竖向承载力力学特性，邓小雪1基于有限元方法研究了竖向荷载作用下复杂群桩的变形及荷载分布规律。结果表明，超长群桩的 Q-S 曲线呈缓变特征，桩身轴力在中桩最大，角桩最小，桩身的压缩沉降量随桩长增加而减少。刘祥沛等2基于室内模型试验和数值模拟研究了桩基础破坏特征。结果表明，当桩基础破坏时桩顶位移会迅速增加，破坏时桩底反力出现突变。秋仁东等3基于大比例模型试验研究了长群桩基础承载力性状。结果表明，群桩基础存在明显的硬化效应，端阻力在桩距较近的条件下提高幅度较大。此外，群桩承台反力随沉降的增加而变大。在其他条件相同的情况下，承台反力随桩距增加而变大。考虑目前桩基础承载力计算不精确，桩基工程经常出现质量问题，造成人员和财产的损失。本文采用数值模拟对桩的承载力特性及基础参数进行优化。为相关工程设计及施工提供借鉴。1 工况概况与数值模拟本文研究的桩基础属于桥梁桩基础，桩基础采用钻孔灌注桩，桩身混凝土强度均采用 C30 混凝土浇筑。预估单桩承载力特征值为 2000kN。静载试验采用竖向承载力压桩试验，每根试验桩设计 4 根反力锚桩。根据现场钻孔资料显示，研究区土体自上而下为素填土，颜色褐色-黄褐色，稍密，物理力学性质一般。黏土，呈浅灰色，湿，稍密，局部相变为黏土，平均标贯击数 N 6.6 击，物理力学性质一般。粉砂，中砂层呈灰色-灰黑色，颗粒大部分分散小部分胶结，粒径 2mm 的颗粒含量占总质量的 25 50，稍湿 饱和，中密状态。根据勘查报告显示，现场地基属于软土地基，压缩性较大。为保证基础承载力及变形要求，采用钻孔灌注桩进行施工。本次压桩试验采用分级加载方式，每级荷载为200kN，最终荷载为 2000kN。为进一步研究桩土相互作用，本文采用 ABAQUS 数值模拟建立不同桩长及不同桩径的有限元数值模型，以便系统分析桩基的竖向承载力特性，并选出最优桩基础设计方案。建立典型的数值模型如图1 所示。数值计算中模型长度和宽度均为 13m，模型深度为 100m。桩身长度为 3070m，桩径为0.82.0m。桩土界面间的接触采用弹簧模拟，弹簧法向的刚度取值为 10N/m。最终得到的网格总数为 35022 个。计算中土体采用摩尔库伦本构模型，桩基础采用线弹性本构模型。模型所采用的计算参数见表 1。图 1 数值模型示意图桩基础填土黏土淤泥质土粉砂粉质黏土13m3m7m21m21m40m13m桩基础竖向承载力力学特性及影响因素研究杨丽霞1许国2（1.山东省泰安市宁阳县交通运输局，山东 泰安 271400；2.山东省泰安市宁阳县城市管护服务中心，山东 泰安 271400）摘 要：为研究竖向荷载作用下桩的承载力效应及桩基础最优设计方法。本文采用静载试验和数值方式研究了在逐级加载作用下，桩的内力和变形规律，并对桩径和桩长的参数进行优化，得出以下结论。1）当桩径相同时，桩长增加，桩的承载力越大。桩长一定，桩径越大，桩的承载力也越大。但当桩径和桩长增加到一定程度时，桩的承载力提升较小。2）在实际工程中，桩的长度设计须保证穿越软弱土层，从而增加桩的竖向承载力。3）提出桩基础最优设计方案，针对本文工程案例的最优桩长为60m，最优桩径为1.0m。关键词：静载试验；竖向承载力；参数优化；数值模拟中图分类号：TU47 文献标志码：A表 1 岩土体物理力学参数岩土类型厚度（m）重度（kN/m3）弹性模量（MPa）泊松比内聚力（kPa）内摩擦角（）本构模型填土319380.28526摩尔-库伦黏土718.5310.232812摩尔-库伦淤泥质土2117.6230.21529摩尔-库伦粉质黏土1218.5400.282330摩尔-库伦粉砂4019600.272832摩尔-库伦桩25250000.21线弹性中国新技术新产品2024 NO.3（上）-115-工 程 技 术2 结果与分析2.1 试验结果图 2 为试验过程中各级荷载作用下桩顶沉降的分布规律。结果表明，在不同桩长的工况下，各级荷载作用下，桩顶沉降变形较为均匀，没有发生明显的突变情况。在最大荷载为 20000kN 的工况下，桩顶的最大沉降值为 70.2mm，桩基础满足安全性要求。图 3 为桩长在 55m 的工况下，桩身轴力的分布规律。结果表明，在各级荷载作用下，桩身轴力沿深度不断变小且在同一位置处，相邻加载等级的轴力差不断变小。由此证明，桩身上部承担的外荷载要明显大于桩身下部分承担的外荷载。2.2 数值模拟验证图 4 为数值模拟和试验关于各级荷载下的 Q-S 曲线对比结果。结果表明，数值模拟与试验结果吻合度较好，证明本文数值模拟是可靠的。在各级荷载作用下，随荷载增加，桩顶的沉降表现出增加的趋势且数值模拟与试验结果均满足实际加载中桩顶的沉降规律。在最终荷载为 20000kN 的情况下，数值模拟计算得到的桩顶最大沉降量为 67.78mm，现场实测得到的桩顶最大沉降量为 68.38mm。两者的相对误差2%。图5得到了桩身轴力分布的模拟值和现场试验值。结果表明，模拟结果与数值结果基本一致。同理可证明本文数值模拟的可靠性。2.3 桩径对桩基础的竖向承载力影响为进一步研究桩径对桩竖向承载力的影响。本文计算了桩直径分别为 0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.5m 和 2.0m 工况下的桩顶沉降规律。结果表明，不同桩径工况下，桩顶沉降曲线的变化规律基本相同。在相同的荷载下，桩顶沉降值随桩径的增加而减少。不同桩径下的沉降曲线表现出明显的非线性。此外，当桩径由 0.6m 增至 1.0m 时，桩基础的竖向承载力明显大于桩径由1.0m 增至 2.0m 的工况。在桩径为 0.6m和 0.8m 工况下，桩顶沉降出现明显的突变，由此证明，桩径太小会导致桩的承载力明显不足。而当桩径由 1.5m 增至2.0m 时，桩的竖向承载力提升明显较小，但是桩的体积却明显变大，容易造成材料浪费。2.4 桩长对桩基础的竖向承载力影响为进一步研究桩长对桩竖向承载力的影响。本文计算了桩直径分别为 30m、40m、50m、60m 和 70m 工况下的桩图 4 荷载-沉降曲线 图 5 桩身轴力分布曲线图 2 桩顶沉降曲线试验结果图 3 桩身轴力分布试验结果70 60 50 40 3020 10070 60 50 40 3020 1000020002000400040006000600080008000100001000012000120001400014000160001600018000180002000020000220002200020000 15000 10000 5000020000 15000 10000 500000010102020深度/m荷载/kN荷载/kN深度/m3030404050506060轴力/kN桩顶沉降/mm桩顶沉降/mm轴力/kN静载试验 数值模拟静载试验 数值模拟桩长50m 桩长52m 桩长55m 桩长57m2000kN 6000kN 8000kN 10000kN 12000kN 14000kN 16000kN 18000kN 20000kN中国新技术新产品2024 NO.3（上）-116-工 程 技 术顶沉降规律。结果表明，不同桩长工况下，桩顶沉降曲线的变化规律基本相同。在相同的荷载下，桩顶沉降值随桩长的增加而减少。不同桩长情况下的沉降曲线表现为明显的非线性。其中，在桩长由 30m 增至 50m 工况下，桩基础的竖向承载力明显增加，但当桩长 40m 时，桩的承载力明显较小，主要原因是当桩基础太短时，桩顶的软弱土层无法为桩提供足够的承载力。当桩长 50m 时，桩底穿过软土，因此可以提供较大的承载力。但当桩的长度由 60m 增至 70m 时，桩的竖向承载力提升程度明显不足，由此表明，无限制的加大桩长并不能有效提高桥梁桩基础的承载力，桩的体积却明显变大，也会造成材料浪费。2.5 桩的弹性模量对承载力的影响为研究桩身刚度对桩竖向承载力的影响，本文计算了桩弹性模量分别为 15MPa、25MPa 和 35MPa 工况下桩承载力分布规律。结果表明，桩顶沉降随桩的弹性模量的增加而减少且桩的竖向沉降变化速率逐渐减少，证明无限制增加弹摸对桩的承载力影响有限。在实际工程中，过分考虑桩的刚度对桩的承载力和变形的影响可能会造成材料浪费4。2.6 桩基础的优化设计本文系统地分析了桩径和桩长对桩基础竖向承载力的影响。在实际工程中如何合理选取桩径和桩长是工程中重要的结构设计问题。研究表明，当桩的直径 1.5m，桩的长度 50m 时。增加桩径和桩长，对桩的竖向承载力提升不明显。为优化桩基础的设计参数，本文设计了两种桩参数进行对比分析。方案一：桩径和桩长分别取 1.5m 和 50m。方案二：桩径和桩长分别取 1.0m 和 60m。图 6 为两种不同的设计方案下的桩顶沉降曲线。结果表明，两种工况下桩的沉降变形规律基本相同。桩顶的最大沉降基本一致。证明两种方案均能满足规范要求。为进一步优化工程造价参数，本文采用如下模型进行计算，如公式（1）所示。M=HS （1）式中：M 为桩基础混凝土的体积，m3；H 为桩的长度 m；S为桩基础的横截面积，m2。采用公式（1）得到，方案一最终的混凝土用量为 88m3，而方案二最终的混凝土用量为 47m3。因此，在均满足安全要求的前提下，方案二为最优设计方案。3 结论本文基于桥梁桩基础现场静载试验和 ABAQUS 数值模拟，对竖向荷载作用下桩承载力性状进行研究，分析了在逐级加载作用下，桩的内力和变形特性，并进一步采用数值模拟对桩径和桩长的参数进行优化，得到如下几点结论。1）当桩径相同时，桩越长，桩的承载力越大。桩长一定，桩径越大，桩的承载力也越大。但当桩径和桩长增至一定程度时，桩的承载力提升非常小。2）当桩底位于软弱土层时，桩的承载力较小。在实际工程中，桩的长度设计须保证穿越软弱土层，从而提升桩的竖向承载力。桩顶沉降随桩的弹性模量的增加而减少且桩的竖向沉降变化速率逐渐减少。因此，过分考虑桩的刚度对桩的承载力和变形的影响可能会造成材料浪费。3）综合有限元计算和混凝土用量计算公式，提出了一种桩基础参数优化模型。针对本文算例，对比分析了两种不同的桩基础设计参数，优化后的桩长和桩径分别为 60m和 1.0m。参考文献1 邓小雪，李龙起，张帅，等.竖向荷载作用下复杂群桩的变形及荷载分布 J.铁道建筑，2019，59（4）：53-56，75.2 刘祥沛，董天文，郑颖人.桩基础承载力室内试验与数值计算研究 J.地下空间与工程学报，2016，12（3）：719-728.3 秋仁东，刘金砺，高文生，等.长群桩基础承载力性状的大比例尺模型试验研究 J.岩土工程学报，2012，34（12）：2233-2242.4 范庆来，张可誉，张令诺.非均质各向异性软基上管桩基础承载力分析 J.岩土力学，2008，29（增刊1）：621-624.图 6 桩基础的优化设计605040302010002000400060008000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000方案一 方案二荷载/kN桩顶沉降/mm