桩筏基础前排桩的工作参数分析研究

刘泽伟，刘 忠

(湘潭大学 土木工程与力学学院， 湘潭 411105)



桩筏基础前排桩的工作参数分析研究

刘泽伟，刘 忠

(湘潭大学 土木工程与力学学院， 湘潭 411105)

针对桩筏基础力学性能分析，基于荷载分担比率和曲线的代表性，主要研究参数改变下前排中层桩的力学性能改变.利用有限元软件ANSYS10.0为平台来模拟原位桩筏基础试验，针对横向荷载受力，考虑合理的网格划分、桩-土之间的滑动及脱离、边界条件等因素的影响并进行了模型验证.通过改变模型参数如桩距、桩长和桩径参数较准确的反映了桩筏基础的受力机理，有较好的参考价值.

横向荷载；桩距；桩长；桩径

0 引 言

随着我国高层建筑的迅速发展，桩筏基础以其承载力高,变形性能好等优点得到了广泛的应用.由于桩筏基础的受力机理的复杂性，桩土协同作用及按变形控制设计等问题一直是目前研究的热点.

本文主要针对桩筏基础受横向荷载的情况做受力分析.桩筏基础由筏板承受横向荷载，通过桩将所承受的侧向荷载传递到桩侧的土体中去.例如桥梁、高层建筑、近海钻采平台、支挡建筑以及抗震工程中，桩筏基础承受来自侧向的风力、波浪力、土压力和地震力以及经由上部结构向桩基传递的水平荷载.在单方向受横向荷载作用时，桩被区分成了前排桩(最靠近横向力的竖排桩)、中排桩、后排桩(最远离横向力的竖排桩)[1].由于前排桩的荷载分担比率[1]、桩身位移等数据大于且相似其他桩，具有代表性，所以本文主要研究前排桩的工作性状.这里利用有限元软件ANSYS对桩筏基础做简化模型，并对模型进行分析.模型将桩-筏-土都视为弹性体单元，不考虑筏板的配筋、裂缝等钢筋混凝土材料的特性，三者之间直接采用节点连接达到受力、变形的协调，考虑桩-土之间的滑动及脱离.该方法避免了传统有限元分析中的繁琐计算，使其不仅可以较精准的得出数据还可以使其模型在普通的计算机中不必运行过长的时间，从而对工程的设计有一定的参考价值.

1 ANSYS建模与模型验证

本文模型采用satio所做的模型[1]，具体桩筏基础的结构布置如图1所示.筏板尺寸3.185 mm×3.185 m,厚度为0.8 m.筏板下面布置3×3的圆桩，桩径d=318.5 mm，桩长l=14.8 m(在土中为14.5 m)，桩距s=2.5d=796 mm .上部结构自重1970 kN，简化成集中力作用于筏板顶面中心处.地基土有6层土，土体参数如表1所示.

表1 土体参数

图1 桩筏基础布置图

利用有限元软件ANSYS10.0，结合上面原尺寸试验[2]的数据建立二分之一模型.桩与筏板采用线弹性本构模型，土体采用Drucker-prager模型[2,3,6].边界条件视情况而定，模型的底部是全部约束，所有的对称面是约束面的法向方向，其它的沿面的方向是自由运动，但在模型的左右两侧是用弹簧阻尼单元连接(Kelvin单元)[3].在网格划分中在桩周围土中采用细网格划分，在远离桩的土采用粗网格划分[3,4,5].由于结构承受横向作用，故在桩与土之间需做接触单元，桩体表面用Targe170单元来模拟，土体表面用Conta173单元来模拟.图2为模型计算桩头位移曲线与试验结果对比.

图2 随荷载增加桩头侧移图

2 水平荷载作用下前排桩工作性状分析

2.1 桩距变化对前排桩的工作性状影响

在进行桩筏基础设计时，桩间距的选定对基础的工作性能极为重要，这是由于桩间距的变化对基础的平均沉降、差异沉降、筏板内力、桩头位移以及桩土荷载分担比等工作性状均有显著的影响.图3为在不同桩距相同荷载情况下，前排桩的桩身侧移曲线图，从图中可以看出，桩身水平位移曲线具有一样的趋势以及非线性特征.随着桩距的慢慢增大，各桩的桩身侧移越来越越小，其中当桩距为4D和6D时，桩的桩身侧移几乎一致.当桩距超过8D桩距时，群桩效应减小，各个桩的侧移几乎一致.桩的位移零点随着桩距增大，这将使得深土层的土抗力得到更进一步的发挥，有利于桩筏的水平承载力提高.桩身位移主要集中在0～4 m深度范围内，在6～14.5 m内桩身侧移趋近于零.

图4为在不同桩距相同荷载情况下，前排桩的桩身弯矩图.图中弯矩变化趋势随着桩距增加而变小，在0～4 m内变化很大并出现了反弯点，在4～10 m桩长范围内变化较大，在10 m以上变化趋势趋近于零.曲线在分别2.3 m(2.5D桩距)，2.6 m(4D桩距)，3.2 m(6D桩距)，3.2 m(8D桩距)处达到正弯矩最大值，超过8D桩距后正弯矩坐标值位移变化趋势基本不变.在弯矩曲线中桩间距为6D和8D时曲线基本一致，随着桩距大于8D以后曲线趋势基本没有变化，这一点也证明前面所提的超过8D桩距后，群桩效应减小，趋于稳定.

图3 不同桩距下的桩身侧移图

图4 不同桩距下的桩身弯矩图

2.2 桩长变化对前排桩工作性状的影响

桩长的调整对桩筏基础工作性能的影响很大，但对水平荷载下桩身位移及桩身弯矩影响较小.图5分别为不同桩长相同荷载情况下，前排桩桩身侧移沿着深度的变化曲线图.从图中可以看出，桩身位移的减小区间主要在0～4 m，6 m时趋向于0.当桩长的增大，土的荷载分担比减小，但当桩长增加到一定值时，变化将不再明显.所以对于短桩长度变化时，桩头侧移变化比较快，随着桩长的增加变化趋势减慢趋向于稳定.从图5可以看出随着桩长的加深桩身的位移缓慢增大，在1.3 L桩长时桩头侧移达到峰值77 mm，超过1.3 L再增加桩长桩头侧移将减少并趋向于稳定.因此可以把1.3 L看成此模型的桩长稳定值，桩长到达稳定值后，再增加深度对控制桩身侧移作用很小，改变桩长并非减小桩身位移等保持工作稳定性状的经济解决方案.

图5 不同桩长下的桩身侧移图

图6 不同桩长下的桩身弯矩图

图6分别为不同桩长相同荷载情况下，前排桩的桩身弯矩图.图中弯矩变化趋势随着桩长增加基本不变.桩身在0～4 m内弯矩变化很大并出现了反弯点，在4～8 m桩长范围内变化较大，在8 m以上变化趋势趋近于零.弯矩曲线在分别2.3 m(1 L桩长)，2.3 m(1.2 L桩长)，2.6 m(1.3 L桩长)，2.3 m(1.4 L桩长)处达到正弯矩最大值，其中在1.3 L桩长下产生最大弯矩值94.57 kN·m，相比较其他三个弯矩最大值85.98、88.21和94.22 kN·m.由图5和图6得出，桩长变化对桩筏基础的桩身位移及桩身弯矩变化很小并且经济性差，所以不推荐通过改变桩长来增大桩筏基础横向承载稳定性.

2.3 桩径变化对前排桩工作性状的影响

在工程中调整桩径是最为直接改变承受横向荷载能力的方法但同时也是经济性较差的方法之一.图7是在不同桩径相同荷载情况下，前排桩桩身侧移曲线图.从图上看，桩身位移具有明显的非线性特征及变化，改变桩径也是使得结构承受横向荷载更稳定的最直接的办法.在同水平荷载作用下，前排桩的桩身位移相比桩距与桩长的位移变化，桩径变化引起的桩身位移最大.可看出，在水平荷载作用下，当桩径较小时，随着桩径的增大，桩头侧移急剧减小，急剧变化区间0～3.7 m，平稳区间8～14.5 m.当桩径较大时，随着桩径的增大，桩头侧移减小，桩身侧移变化速率减慢.

图7 不同桩径下的桩身侧移图

图8是在不同桩径相同荷载情况下，前排桩的桩身弯矩图.随着桩径的增大0～3.7 m内负弯矩急剧增大，3.7～14.8 m内正弯矩先变大后减小，越往深处走桩身侧移减小速率越大.弯矩曲线在分别2.3 m(1D桩径)，2.6 m(1.2D桩径)，3.2 m(1.5D桩径)，5.0 m(2.0D桩径)处达到正弯矩最大值，从曲线上看增加桩径效果比较明显.相对于桩间距以及桩长的调整引起的弯矩改变，桩径调整引起的弯矩改变最大.推荐设计上结合桩径改变和桩距改变一起提高桩筏基础横向承载稳定性.

图8 不同桩径下的桩身弯矩图

3 结 论

(1)前中后排桩的变化由于刚性筏板存在导致桩的位移以及弯矩差别不大，其中前桩受荷载分担比最大，最具代表性.

(2)在桩长、桩径、桩间距的变化比较中，桩径改变效果最明显，桩距变化效果居中，桩长改变效果最小.建议结合桩径以及桩距一起变化从而达到效果更好.

(3)前排桩的桩身位移以及桩身弯矩变化区间都很相似，均在0～4 m区间内.随着土的深度加大，趋势逐渐平缓直至趋向于零.

(4)在水平荷载下，桩距的调整超过8D桩距后受益很小、桩长的调整不宜超过1.3 L桩长(仅限长桩)、桩径的调整效果比其他两种要明显得多.

(5)建议根据实际情况采取不均匀布桩的方法来取得经济效益更大化.

[1] Satio, A., Hanko, M. , Gose, and Yi, F.A Study of Pile Foundation Behavior at Larget-scale Horizontal Deformation[J]. Structural Engineering Letter, JSCE, 1993, 39A:1395-1407.

[2] Akihiko Wakai,Shingo Gose and Keizo Ugai,3-D Elastic-plastic Finite Element Analysis of Pile Foundations Subject to Lateral Loading,J.Geot.Engng,1999,39(1).

[3] 陈 铖，刘 忠.单桩横向非线性静力响应的三维有限元数值模拟[J].湘潭大学学报(自然科学版)，2005(1)：94-96.

[4] 钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算[M].北京：中国水利水电出版社，1996.

[5] 郑颖人，龚晓南.岩土塑性力学原理[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[6] 郝文化.ANSYS在土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

Study on Work Properties of Pile in Front of Raft Foundation Based on Parameter Change

LIU Ze-wei，LIU Zhong

(College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

In view of the pile raft foundation mechanic performance and based on the load sharing and the representation of the curve, the main research focuses on the mechanical performance changes of the front middle pile under the conditions of the parameter changes.The finite element software ANSYS10.0 as a platform is used to simulate the pile raft foundation.The factors such as the lateral load stress,reasonable meshing, the pile-soil sliding and out and the boundary conditions are taken into consideration to carry out the model verification.By changing the model parameters such as pile distance, pile length and pile diameter of the pile raft foundation, the working performances are better shown,which provides good reference.

lateral load stress; pile distance,; pile length; pile diameter

2014-12-20

刘泽伟(1988-)，男，硕士，研究方向：结构工程.

TU3

A

1671-119X(2015)02-0091-04