模型参数对桥梁桩基变形的影响

石峻峰，肖英英

(湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068)

随着近年来我国社会主义经济建设的迅速发展，桥梁已成为交通基础设施建设的核心组成部分，而桩基础是桥梁建设中的一个关键环节。推动公路桥梁建筑工程的高质量发展与创新实践，是落实交通强国建设目标的重要抓手及基本前提[1]。因此必须准确计算整个工程建设过程中构件的变形及应力情况，以有效地保证工程施工的质量。目前桥梁桩基变形的计算大多采用有限元分析，而在进行桩基变形的数值分析计算过程中涉及到了很多关于本构模型参数的选取问题，这些模型参数的正确选取直接决定着数值分析结果的准确性和好坏。

裴慧芳等[2]利用邓肯-张E-v模型, 针对双排桩支护结构参数敏感性, 进行大量非线性有限元计算分析, 得到了各参数与支护结构侧向位移和弯矩之间的关系。吴同坤等[3]通过使用PLAXIS 3D岩土承载有限元软件研究了高直径桩基桩土联合工作行为的主要影响因素和各种水平荷载作用下高桩基础的水平承载特性。杨德健等[4-5]用过研究使用ANSYS有限元软件深入分析了建筑桩间地基垫层模量、桩间土模量以及桩间距等多种不同影响因素对大型复合建筑地基沉降深度变形的直接影响。何思明等[6-7]采用基于Duncan-Chang本构模型的一种修正分层应力总和法计算单、群桩内任意点处的沉降量,最终获得单、群桩的沉降计算。张齐兴等[8]基于三维有限元法,探讨了超长摩擦桩的数值模拟方法,分析了桩土界面单元、地基土单元模型参数对数值计算结果的影响。范臻辉等[9]采用弹塑性有限元法分析了桩周土、桩端土以及桩土界面特性等因素对大直径桩沉降的影响。

本文以广东省某大型桥梁工程项目桩基为例,使用Midas GTS/NX数值模拟软件建立桥梁桩基的数值模型,通过改变模型的参数值,计算和分析参数变化对桩土变形的直接影响,总结变化规律以及确定影响程度最大的参数,为以后开展类似项目计算提供参考。

1 工程概况

本工程项目地处广东省，桥址区域地形相对比较平坦，根据现场勘察结果及钻孔所揭露出来的岩土层表明，在桥位地段内尚无发现断裂构造痕迹，属于稳定性地块，适合于桥梁项目的建设。桥位附近区域的土质覆盖层主要为第四系淤泥状粉质黏土、粉质黏土、燕山期花岗岩和其风化层等。根据桥位段的相关地质数据分析，本桥位段的基础结构设计应采用桩基，可能采用的桩型为钻孔灌注桩，以中风化、微风化的花岗岩作为结构支撑的持力层。岩层分布具体内容如下：

淤泥质粉质黏土，褐灰色，以软塑为主，局部含贝壳碎片，粉细砂、中粗砂层，埋藏较深，分布较稳定，工程性质一般；

粉质黏土，软塑，土质不均匀；砾砂层，黄褐色，松散-稍密，主要成分为石英、长石，分选性好，级配较差，主要分布在冲积平原段，土层物理力学特性较差，工程特性较差；

燕山期花岗岩，青灰色、灰白色，块状构造，除陆域丘陵区分布不稳定外，全线其余地段均有分布，呈层状连续分布，局部风化差异较大，且存在花岗岩球状风化。该地层工程性质较好，是理想的基础持力层。

2 有限元模型

2.1 模型参数选取

邓肯-张模型是目前工程项目中比较常用的非线性弹性本构模型，本文也主要讨论邓肯-张模型的有关参数[10]。在邓肯-张模型的切线弹性模量表达式中，有 5个参数必须通过三轴试验或相关工程实践进行确定：c、φ、K、n、Rf；切线泊松比公式中也涉及到三个参数：D、G、F。另外，c和φ与其他6个参数不同，它们是岩土力学中常用的两个参数，而不是邓肯-张模型特有的参数，一般通过三轴试验和其相关实践项目经验来确定其测量值，并且现在相关实验技术已相对成熟，试验也相对容易且具有较高的精度，故参数c和φ不作为本文讨论对象。

本文基于桥位段相关工程地质勘测报告和以往相关项目经验，选取具有代表的一组参数进行计算，为了减少分析中要考虑的交叉因素，本文假定各土体材料类型相同。土层参数值详见表1。

表1 邓肯-张模型参数

2.2 桩土模型建立

本文采用Midas GTS/NX 有限元分析软件进行计算分析，桩基与土层的模型分为岩层、桥墩、承台和填充混凝土。对岩层模型进行简化，岩层模型取长50 m，宽30 m，分2层，第一层为粉质黏土，厚21 m，第二次层为中风化花岗岩，厚26 m。填充混凝土长40 m，宽30 m，厚2 m。承台平面尺寸为20 m×38 m，为椭圆形，高5 m。桩基选择钻孔灌注桩，桩根数为13根，桩长38 m，桩径3.0 m，桥墩高取为10 m。

建立桩土模型时，将桥墩、承台、填充混凝土等视为同一种弹性材料，钻孔灌注桩采用梁单元形式；土层模型采用邓肯-张模型；整体模型施加边界约束；桩基施加旋转约束，施工步骤主要是通过对单元组进行“激活”和“钝化”来实现[11]。

3 结果分析

本文主要针对K、n、Rf、D、G和F等6个参数进行分析，分别对各个参数作±20 %变化，各参数上、下变化均是以它们的初始值为基础的[12]，通过计算得出各个参数对桥梁桩基变形的影响情况。在对模型的参数进行分析时，本文选择使用单一变量法，即保持其他参数不变，只改变其中一个参数，对模型进行计算，综合分析模型参数对于桥梁桩基的变形影响及其发生变化的规律。

3.1 参数变化对桩基沉降的影响

图1、图2是对各参数进行±20%的变化后，计算所得桥梁桩基沉降值随参数变化的变化曲线，从图2中可看出，在[-20%,+20%]区间变化时，参数变化对桩基沉降变化影响最大的是参数G，其变化率的绝对值最小为34.70%，最大达67.35%。其次是参数F，沉降变化率至少大于7.20%，最大为14.57%。影响程度最小的是参数D，沉降变化率绝对值均小于7%。且参数Rf和F的变化与土体沉降变化成正比，随着参数Rf和F的增大，桩基沉降逐渐增大；而参数G，K，n和D与土层沉降的变化成反比，随着参数参数G，K，n和D的增大，桩基沉降逐渐减小。

图1 桥梁桩基沉降变化

图2 各参数与桩基沉降关系

3.2 参数变化对桩基水平位移的影响

图3是各参数变化时桩基水平位移图，图4是各参数和桩基水平位移变化率关系图，由图4可以清楚地看出，随着参数K、G和F增加，桩基水平位移反而减小；且影响水平位移变化程度最大的是参数K，其变化率的绝对值最小为12.66%，最大可达39.70%。其次是参数G，其水平位移变化率至少大于5%，最大为33.21%；随着参数D、n和Rf的增加，水平位移数值随之增加，影响程度较大的是参数D。由图2和图4可看出，参数G对沉降和水平位移变化的影响都很明显，且参数变化与沉降和水平位移变化成反比，不同的是，参数G对桩基沉降的影响远远高于对水平位移的影响，其沉降变化率是水平位移变化率的2倍。

图3 桥梁桩基水平位移变化

图4 各参数与桩基水平位移关系

3.3 参数变化对桩基轴力值的影响

图5是桥梁桩基轴力值变化图，图6是 各参数与桩基轴力值关系图，由图6可知，参数G对桩基轴力值的影响最大，且G增大时对轴力值的影响要大于减小时对轴力值的影响，随着参数G的增大，桩基轴力值增大；其次是参数F和参数K，不同的是，随着参数F的增大，桩基轴力值反而减小；相较而言，参数Rf、n和D对桩基轴力值影响程度相当，且都比较小，其轴力值变化率均小于1%。

图5 桥梁桩基轴力值变化

图6 各参数与桩基轴力值关系

4 结论

本文利用有限元数值模拟分析的方法，分析了邓肯-张模型的相关参数变化对桥梁桩基变形的影响程度和变化规律。得到以下结论。

1)在邓肯-张模型中，对桥梁桩基沉降变形的影响程度从大到小为：G>F>K>n>Rf>D；对桥梁桩基水平位的移影响程度从大到小为：K>G>D>Rf>F>n；对桥梁桩基轴力值的影响较大的参数主要是G、F、K，而参数Rf、n和D对桩基轴力值影响都不明显。整体而言，参数G对桩基沉降、水平位移和轴力值的影响都很大；参数K对水平位移比对沉降和轴力值的影响要大，参数F对沉降和轴力值的影响比对水平位移的影响要大。

2)基于实际工程项目，在进行土工测定试验的时候，除了需要关注c、φ这两个岩土力学中常用的参数外，还需要关注对桩基影响程度较大的参数，提高其精确度，在进行模型计算时可获得更好的计算结果。

3)本构模型的参数问题，例如在桩基承载力，桩侧摩阻力，土压力等问题中，参数的选取引起的误差比理论要大得多。