墩高变化下高墩双排桩承载特性的有限元分析

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摘要 高陡横坡段高墩双排桩作为一种新的桩型，对其在复杂荷载下承载特性的理论计算十分复杂，本文借助大型有限元计算软件ADINA对高陡横坡段高墩双排桩的承载特性做了计算分析。经计算研究发现：桩身竖向应力沿深度逐渐递减；桩顶荷载对边坡双排桩承载特性的影响远大于坡顶荷载；前排桩的竖向和水平位移都较后排桩大；桩顶位移随墩高的增加而增加。

关键词 陡坡；双排桩；有限元

中图分类号U44 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）41-0131-02

0 引言

公路跨越河流、山谷的需求和保护当地自然环境、减少山体开挖的要求[1,2]，使得高墩桥梁桩基在西部大开发的公路建设中得到广泛的应用。但是对于高陡边坡高墩双排桩的研究远没有普通桩基的研究深入和广泛[3]。在规范中也缺少对高墩双排桩设计和施工的明确指导 [4-6]。为了更为深入的研究高墩双排桩的承载特性，本文运用大型有限元计算软件ADINA从墩高变化的角度研究了边坡高墩双排桩桩的承载特性。

1 建模

1.1 几何模型

结合工程实例本文将桩周土体分为3层，厚度分别为22m、18m、20m，从上至下依次为强风化岩层、中风化岩层、微风化岩层；整个模型长60m，厚40m（x方向）；双排桩所在边坡坡度为45°。双排桩直径为1.5m，桩长44m，在桩顶和桩身中段各有一根联系梁；桩间距为7m；嵌岩深度4m。双排桩基具体定位见图1。

结合工程实例，在桩顶加竖向荷载60MN、顺桥荷载600kN、坡顶荷载6 000kPa，用来模拟桩基在复杂荷载作用下的承载特性。在计算步骤上分十步将荷载等步长加载上去，在模型四周设立垂直模型表面的约束，但是定义坡顶和坡面为自由面。对岩体采用长度为4m的4节点三棱锥单元划分，桩身采用长0.5m的三棱锥单元划分，对桩土接触面的岩体用0.5m的长度进行加密划分，对桩端和桩顶用0.1m的长度进行加密划分。岩体采用Mohr-Coulomb模型，桩身材料定义为各向同性材料，各土层和桩身的材料参数见表1。

1.2 桩土接触面算法

桩土接触面的定义是桩土相互作用有限元计算中的一个难点。ADINA中提供了约束函数法、段片法、刚性目标法3种方法计算接触问题，这些算法能很好的解决物体间的无摩擦粘结问题、摩擦问题、多次接触和分离等接触问题。在计算桩土接触问题时本文选用最常用的约束函数法，其法相约束函数表达式为：

由图2可发现桩基竖向应力沿桩基是桩身逐层递减的。相同位置处的桩身竖向应力，前排桩较后排桩大，这是因为前排桩的入土深度较后排桩小，相同位置处的桩侧摩阻力前排桩较后排桩小。由图3还可发现横梁与桩基的交接处是应力集中地地方。横梁的存在改变了桩顶荷载在前、后排桩间的分配，桩基最大竖向应力不在桩顶而是出现在后排桩的中间横梁位置处。所以横梁与桩基的连接处在施工时应做加强处理。桩顶水平荷载的存在使得桩墩具有悬臂梁的效果，改变了桩基顺桥荷载两侧应力分布，使得桩基两侧应力一侧大，一侧较小，且使得桩基最大竖向应力出现在中间横梁与桩基交接处。

由图3可发现随着墩高的增加，桩顶的竖向位移和水平位移都增加，但是桩顶竖向位移随墩高基本呈线性增加，桩顶水平位移随墩高呈非线性增加。对于嵌岩桩而言桩顶竖向位移主要由桩身压缩量和桩端岩层压缩量组成，所以桩顶竖向位移与墩高呈线性增加的关系。露出地面的高墩对桩顶顺桥荷载的作用起到放大的作用。在桩顶荷载不变的情况下，墩越高，桩土接触面处的附加弯矩越大，桩土交界面处的位移和转角越大，所以桩顶水平位移越大。

前排桩的桩顶竖向位移和水平位移都较后排桩大。前排桩相对于后排桩而言有一段悬空段，这使得前排桩的桩侧摩阻力和桩周土体抗力都较后排桩小，所以前排桩的桩顶竖向位移和水平位移都较后排桩大。

前排桩与后排桩的竖向位移的差值随墩高的增加变化不大。这说明桩顶荷载是前后排桩竖向位移差值的决定条件，墩高的变化虽然能够改变前后排桩的桩顶位移，但是对前后排桩的竖向位移差值的影响不大。当墩高由5m变为20m时，前后排桩的桩顶水平位移差值由21mm升高到47mm，相对于桩顶竖向位移的差值而言，变化较大。

经计算研究发现，桩顶y方向（顺坡方向）的位移较顺桥方向的位移而言很小。这说明对于岩质边坡而言，桩顶的水平位移主要是由桩顶顺桥荷载引起的，坡顶荷载对桩基的影响较小。

4 结论

1）桩基竖向应力沿桩身逐层递减。最大应力出现在中间横梁和桩身的连接位置；

2）前排桩的桩顶竖向位移和水平位移都较后排桩大；

3）随着墩高的增加，桩顶竖向位移和水平位移都增加。桩顶竖向位移与墩高呈线性增长关系；桩顶水平位移与墩高呈非线性增长关系；

4）桩顶水平位移主要受桩顶水平位移的影响，与坡顶荷载的关系不大。

参考文献

[1]邹新军，赵明华.高承台嵌岩灌注桩屈曲稳定分析的能量法统一解及工程应用[J].公路工程，2007，32(4)：1-4.

[2]蒋鹏飞，杨明辉，赵明华，等.陡坡段桥梁基桩嵌岩深度问题研究[J].公路工程，2007，32(5)：10-13.

[3]蒋冲.山区高桥墩一桩基结构体系承载特性及其分析方法研究[D].湖南大学博士学位论文，2008，3.

[4]中华人民共和国建设部.JGJ 94- 2008建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[5]中华人民共和国建设部.GB 50007-2002建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑资讯网.

[6]铁道第三勘察设计院.TB10002.5-2005铁路桥涵地基和基础设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.