基于黄土地区桥梁桩基群桩效应的合理桩长选择研究

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.1.1 黄土的工程特性
我国的黄土分布面积为 64 万平方公里，广泛分布在西北、华北、山东、内蒙古等地区，并且主要位于黄河中游的陕西、甘肃、青海、山西等地，这些地区黄土面积分布广泛，而且土层的厚度很大，因此有黄土高原之称[1]。其中陕西和甘肃地区的黄土层厚度最大，深度多为 100 至 200 米。当黄土被水浸湿后，在自重荷载和外荷载的作用下，结构将产生破坏和显著的附加变形，，这种黄土称之为湿陷性黄土。根据黄土的湿陷性，可以把黄土分成非湿陷性黄土和湿陷性黄土。湿陷型黄土主要分布在全新世和更新世的地层中，离石黄土和新黄土中的马兰黄土上部土层也具有湿陷性。在本文中只涉及到非湿陷性的黄土。

1.1.2 超长桩应用现状
我国自 20 世纪 80 年代以来，随着土木工程的大力发展，一批批高层建筑以及大跨度桥梁等建筑物在城市中和各类交通干线上广泛应用。为了满足高层结构以及大跨度桥梁的上部结构对承载力和沉降的特殊要求，在工程中开始广泛应用群桩基础。根据统计数据显示，我国平均每年消耗的各类基桩达到了一百万根以上，并且每年超长桩的消耗量达到了二十万根以上的惊人数字[2,3]。继 20 世纪 50 年代之后，我国通过不断地努力，利用管柱技术使武汉长江大桥和南京长江大桥基桩桩底到达基岩持力层；而在 20 世纪60 年代初，我国利用人工旋挖钻在河南顺利浇筑混凝土灌注桩，之后在国内各地得到广泛应用。此后，我国学者在基础工程技术领域不断地进行研究，并且伴随着大型钻孔设备的出现，桥梁以及高层建筑的桩基直径和桩长在不断地扩大，超长群桩注1也应运而生。
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1.2 超长桩承载特性理论和研究方法
超长桩概念的形成是一个逐步发展的过程，无论是学术领域还是工程领域，都是在桩长不断增加的实践中和理论研究中总结出来的。尽管在施工过程中，超长桩应用广泛，但在学术领域目前仍然没有给予超长桩一个确切的定义。如阳吉宝(1998)[5]、胡建华(1999)[6]、池跃君(2000)[7]等根据桩的长度对超长桩进行定义，他们的观点是不论端承桩或摩擦桩，当桩的长度超过 50 米时都称之为超长桩；俞炯奇(2000)[8]提出当桩端荷载分担比小于 10%时即为超长桩，并且在均质土中，当长径比 L/D>50 即为超长桩。现行的《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)，根据桩长、桩径及桩的长径比的不同，将超长桩的定义表述为：当桩长的长度大于 40 米的情况下，且根据不同的桩径进行划分，在长径比 L/D 超过一定量时，该桩便可称之为超长桩。具体到各种直径的桩，定义为:小直径超长桩：D=250mm，L=40m，L/D=100；中等直径超长桩：250mm<d<800mm,l=40m，l d="70；大直径超长桩:800mm<D<1500mm，L=50m，L/D=40；超大直径超长桩：D=1500mm，L=50m，L/D" =25。现行的《公路桥涵地基与基础设计规范》(jtg="" d63-2007)对超长桩没有明确的定义。 ........

第二章 黄土地区单桩合理桩长有限元分析

2.1 概述
近十几年来，经过许多学者的努力，桥梁桩基的理论研究已经取得了很大进展，而且在求解桩基的理论方法上，从之前基于二维平面分析逐渐发展到了三维空间求解。然而在求解三维问题时，依旧存在一定的技术瓶颈，因此现今工程经验仍超前于理论，现有的桩基理论与实际工程应用仍有很大差距。数值分析有很多种方法，主要包括有限单元法、有限差分法、离散单元法和边界元法等，目前有限单元法在土木工程领域应用广泛，主要原因在于其理论上比较成熟，计算较为准确，是较为高效的分析方法。有限单元法在模拟土体的塑性变形、固结特性以及桩体与土体的摩擦接触上有很大的优势，所以通过有限单元法来分析黄土地区的桩基受力以及变形特性，对指导工程设计与施工有着十分重要的意义。
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2.2 ANSYS 有限元软件介绍
ANSYS 有限元分析软件是由美国 ANSYS 公司经过多年的努力而研制开发完成的，该软件是世界上增长速度最快的计算机辅助工程软件（CAE）之一，能与许多计算机辅助设计软件（CAD）进行接口，从而实现各软件之间数据的共享和交换，例如 AutoCAD、Creo、NASTRAN 等。ANSYS 有限元软件可以对结构、流体等多种领域进行建模计算，并且有着广泛的应用领域。ANSYS 拥有十分强大的功能，而且可以通过 GUI 和命令流两种方式进行建模和数据分析，简便易行，因此现已成为世界上应用最为广泛的有限元分析软件之一。近几年来 ANSYS 公司合并了美国其他的有限元软件开发公司，因此 ANSYS 的功能在不断增强。ANSYS 的主要技术特点如下：
1）ANSYS 拥有强大的建模能力。其软件本身就可通过前处理的命令流或 GUI 建立各种各样的几何模型。建模的方式主要包括自底向上建模法、自顶向下建模法和混合建模法三种方法，而且可通过运用各种布尔运算来建立自己所需要的几何模型。
2）ANSYS 能够解决许多非线性问题。它不仅可以对接触非线性问题与几何非线性问题进行计算分析，还可以分析材料非线性问题和单元非线性问题，在分析桩土共同作用问题时普遍应用的是接触非线性分析。
3）ANSYS 具有很强的求解能力，其提供了多种求解器类型，具体使用时可根据具体的问题和求解的精准度来选择合适的求解器进行求解，其主要有迭代求解器、直接求解器、特征值求解法、并行求解器等。
4）ANSYS 可以根据不同的几何模型所拥有的特点进行网格的智能划分，从而生成有限元网格。而且用户也可根据具体问题和不同的求解精度，进行多种方式的网格划分，如映射划分，扫掠划分等。
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第三章 群桩承载特性以及群桩效应....27
3.1 综述......... 27
3.2 群桩效应....... 28
3.3 群桩的承载特性 ....... 30
3.4 群桩极限承载力的计算方法 ..... 33
本章小结.......41
第四章 黄土地区群桩合理桩长有限元分析.... 42
4.1 群桩基础有限元模型的建立 ..... 42
4.2 群桩效应分析 ..... 44
4.3 承台荷载分担比分析 ..... 50
4.4 不同桩长对群桩承载性状的影响 ......... 53
4.5 不同桩距对群桩承载性状的影响 ......... 55
4.6 桩身轴力分析 ..... 58
本章小结.......61

第四章 黄土地区群桩合理桩长有限元分析

4.1 群桩基础有限元模型的建立
当土体参数和桩基的几何模型确定下来后，土体几何模型尺寸选取的是否合理对有限元计算精度的影响很大。如果土体几何模型选取的太小，计算结果会因为边界效应而与实际结果相差甚远；如果土体几何模型选取的太大，则会增加计算量，显得并不经济。根据以往经验和反复的试算，在考虑到三维有限元计算困难的前提下，决定土体深度选为桩长的 3 倍，土体的宽度选为桩基承台宽度的 5 倍。图 4.5 表示的是在桩距一定（Sa=3d）桩长为 L=12m 时，单桩与 2×2 群桩、3×3群桩、4×4 群桩的 P-S 对比曲线。从图 4.5 中我们可以看出，当桩数从单桩增加到 16桩的过程中，群桩的总承载力呈不断增大的趋势，且其增长幅度逐步提高。随着群桩桩数的增加 P-S 曲线逐渐变缓，其拐点越不明显。图 4.6 表示的是在桩距一定（Sa=3d）桩长为 L=12m 时，单桩与 2×2 群桩、3×3群桩、4×4 群桩的平均单桩承载力的对比曲线。从图 4.6 可以看出在桩长为 L=12m 时，2×2 桩的平均单桩承载力曲线要明显缓于单桩的 P-S 曲线，而且在荷载较小时，群桩的沉降稍大于单桩沉降，并且各群桩的平均单桩承载力变化幅度并不显著，说明群桩效应不是很明显。

结论

1.通过 ANSYS 有限元程序对黄土地区单桩承载力、桩侧摩阻力、桩端阻力以及桩身轴力的分析，得到了如下结论。
（1）当长径比 L/D≥40 时，确定单桩承载力的合理方法是以桩顶沉降控制为准。
（2）桩长愈长，单桩的承载能力就愈大，但是桩端阻力分担荷载比例却在逐步减小，当桩很长（L/D>50）时，且在桩顶沉降受到控制时并不能使桩端土体承担荷载的能力最大限度发挥出来，所以在设计桥梁桩基础的过程中，当施工条件允许时，利用扩大桩径来增强桩的承载力和控制沉降，这比通过增加桩长的方法要有明显的效果。但是在扩大桩径的过程中，又会造成混凝土使用比例的提高，施工中并不一定是最佳选择。所以，在进行桩基设计时需要采取较为合理的桩径与长径比。
2.在对黄土地区群桩基础的数值模拟中，对群桩效应、承台分担比、桩长与桩距对承载力的影响以及桩身轴力的分析，对群桩基础的合理桩长范围给出以下结论。
（1）摩擦型群桩基础的荷载—沉降曲线并不存在显著的拐点而是呈现缓慢变化趋势。当桩的长径比较小(L/D≤20)时，随着桩的长度不断地增大,基础的沉降量呈现大幅度减小的趋势；而在桩的长径比较大(L/D≥40)的情况下，通过增大桩长的方法来降低群桩沉降量已经十分不明显。
（2）当桩距一定时，随着桩数的增多，群桩效应系数不断减小，且群桩效应系数的大小与桩数的多少呈现非线性关系；在桩长增加的同时，群桩效应系数逐步降低。计算群桩效应时，本文利用考虑了群桩桩长影响的修正公式与其他方法进行了对比，在桩长径比 L/D<60 时,可以采取修正公式的方法，粗略计算群桩在弹性阶段的沉降量。
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参考文献（略）