桥梁桩数值模拟研讨

在地形陡峻的深谷山坡及岩溶发达地区修建桥基,常遇到基础一部分已到基岩,一部分还悬空很多的情况。若加深基础将大大增加工程数量,以至于出现高边坡而影响安全,若加垫块又嫌太大太深。于是将基础一部分置于明挖地基上,一部分置于桩基上。这种形式通称为半边桩基础[1]。目前计算这种基础多采用近似法,如变形法、换算惯性矩法、等代面积法等。建设项目虽然以上方法部分已应用到设计当中,但局限于对半边桩基础近似的计算分析,目前为止尚未有可靠的方法对此类基础结构受力情况做系统而详细的分析。本文将采用有限元法对半边桩基础部分受力特点进行分析,通过分析得出有用的结论以便于为后续设计提供参考。从半边桩基础的设计计算图(图1)可以看出,基岩边缘必然产生基底反力,竖向载荷由基岩接触面反力双管系统合力与桩基反力共同作用来平衡,水平载荷由基岩接触面摩擦力与桩基水平抗力来平衡。桩基抗力及桥梁上部结构水平抗力是一定的,基础分析的关键将是基岩接触面的反力及其影响因素。但在长期的运营中,基底下边坡外侧岩层边缘,经多次反复受力,很可能导致岩层节理松动而沉陷或剥落,导致基岩承压面积逐渐发生变化,这将导致应力分布发生变化。另外因水上运动场基底受水侵入,

摩擦系数亦相应降低,但影响程度难以确定[2]。因此有必要分析基岩摩擦系数、基岩的硬度对基础受力的影响。

2.1算例[3]某中桥桥台位于陡坡之上,孔跨采用(16+32+16)mT形梁,基础为挖孔灌注桩,桥台基础部份落在中等风化凝灰岩([

2.2计算方法1)变形法根据桩的长度和桩身应力,以及桩身混凝土弹性模量、岩层的基床系数求出桩顶的变形。由基底岩线路图层对承台总反力的平衡方程式,经整理即可计算出桩顶总水平力[1]。2)有限元法[4-6]采用有限元方法进行模拟计算,承台、桩基及基岩均采用实体单元模拟。承台与基岩接触方式通过非线性接触单元模拟,接触方式:面

面,承台底面作为目标面,基岩作为接触面。桩基与基岩固结,短桩周边土体作用可忽略。有限元模型及计算结果示意图见图2。计算工况分别以接扩大初步设计触面摩擦系数、基岩弹性模量及基岩泊松比为影响因素,分别计算各因素在限值范围内变化引起半边桩基础的受力变化。

从表1中变形法与有限元法计算结果对比可知,桩顶竖向力相差约1.5%,计算结果基本吻合,基岩边缘对基底的应力相差约20%,另外桩顶弯矩和桩顶剪力相差较大。本次有限元法计算考虑了基岩及基础的共同变形及摩擦力,以及非线性因素,结果更可靠

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