泵站单桩基础水平承载特性数值模拟分析

泵站单桩基础水平承载特性数值模拟分析

刘阳， 刘阳(男)， 李建方

(吉林省水利水电勘测设计研究院 规划设计处，长春130021)

摘要：岸边引水式泵站厂房受较大扬压力作用，同时承受较高的水平向荷载，且偏心距较大，即使增加泵站偏心重量，抗滑稳定安全系数和泵站基底大小应力也难以满足规范要求。而通过解析法研究单桩基础竖向荷载及水平荷载又比较困难，所以采用有限元数值分析，并考虑桩径、桩长、地基土弹性模量等因素的变化，对桩基弯矩与位移的影响进行分析。研究得出：约束桩顶、增加桩径、提高地基土弹性模量，对桩基抵制水平荷载贡献较大；而增加桩长、提高桩基混凝土弹性模量，对桩基抵抗水平荷载效果不明显。通过采用约束桩顶、增加桩径、提高地基土弹性模量等措施，泵站抗滑稳定安全系数及基底应力满足规范要求。

关键词：泵站；单桩基础；孔灌注桩；水平荷载；数值分析

中图分类号：TU473.1文献标志码：A

收稿日期：2013-11-08 ；修回日期：2014-03-25

基金项目：国家自然科学

作者简介：胡辉(1968-)，男，湖南衡阳人，高级工程师，博士，从事基坑支护、软土加固方面的研究，(电话)13924098138(电子信箱)thuhui@jnu.edu.cn。

通讯作者：汤连生(1963-)，男，江西萍乡人，教授，博士，从事地质工程、岩土力学、岩土化学力学方面的研究，(电话)13809773663(电子信箱)eestls@mail.sysu.edu.cn。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.020

收稿日期：2013-12-04；修回日期：2014-01-13

作者简介：邓成进(1986-)，男，湖北随州人，助理工程师，硕士，主要从事水工设计、边坡数值模拟计算工作，(电话)029-88290212(电子信箱)dengchengjin@nwh.cn。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.019

1研究背景

吉林省某大型引水工程提水泵站位于松花江畔，泵站站址地势较低，受水城市地势较高，输水路径较远，泵站与受水城市间的自然高差近60 m，总扬程较高。泵站地面以下的建筑物深度18 m。泵站基础坐落在低液限黏土上，承载力较低，摩擦系数较小，经计算，泵站基底出现拉应力，偏心距较大，基底大小应力比>2,泵站整体抗滑稳定计算安全系数<1,均不满足规范[1]要求。

调整结构布置，增厚泵站侧墙及底板，以期调整偏心距、降低底板拉应力，达到满足整体抗滑稳定计算的要求。经反复试算，结果仍不满足规范要求。

水工泵站厂房不同于一般工业厂房，虽然自重较大，但岸边泵站扬压力较高，埋深较大，整体承受侧向水平力相对较高，是其不满足要求的影响因素。设计考虑采用钻孔灌注桩基础承受侧向水平力[2-4]，其设计直径及桩长不宜过小，但过大又可能造成浪费，故研究确定经济合理的桩基础形式，十分必要。

2数值计算模型及参数

现行相关规范关于研究桩基础水平荷载的主要影响因素及确定经济合理的钻孔灌注桩型式，其解析解答较为困难[5-7]。本文采用数值分析方法[8]，考虑泵站钻孔灌注桩的桩径、桩长、地基土弹性模量、不同弹性模量混凝土等因素的变化，研究不同因素下的单桩基础受力特性。

数值分析中，土体采用Mohr-Coulomb 模型[3，9-11]，泵站底板采用钢筋混凝土实体建模，桩基础采用梁单元，计算考虑桩土间的相互作用[11-12]。桩土体系的力学模型[3，9]表示为

(1)

桩基础地质岩性条件，从上至下依次为低液限黏土(厚度5 m)、含细粒土砂(厚度8 m)、级配良好的砾石。桩基础地质参数如表1。

表1　桩基础地质参数 Table 1　Geological parameters of pile foundation

3数值分析

根据文献[9],桩的刚度因数T与入土深度L的关系，划分桩的分类标准如表2。

表2　桩的划分标准 Table 2　Criterion of classifying piles

其中刚度因数T的计算公式为

(2)

式中：E为桩的弹性模量(kPa)；J为桩的截面惯性矩(m4)；EJ为桩的抗弯刚度(kN·m2)；m为桩侧土水平抗力系数的比例系数(随深度近似呈直线增大)(kN/m4)；b0为桩的计算宽度(m)。

本工程桩基础同时承担竖向荷载及水平荷载，计算4T=10.01 m，满足竖向承载力要求的桩长为10.8 m> 4T,因此桩身应设计为弹性长桩。

为研究各个因素对桩基水平受力特性的影响，假设桩顶自由，初拟计算桩长为15 m、桩径为1.0 m进行数值计算分析。桩身混凝土强度等级采用C25，弹性模量Ec=28 GPa，重度为25 kN/m3, 作用在单桩顶的水平荷载为139 kN，桩基础采用梁单元进行分析。

3.1　桩径对桩身受力特性的影响分析

取桩径分别为0.8,1.0,1.2,1.5 m 4种情况，其余计算参数同上。不同桩径下埋深与桩身水平位移及弯矩曲线如图1所示。

从图1(a)可以看出，桩径由0.8 m增加到1.0 m时，桩顶最大位移由5.83 mm减小到4.18 mm,说明在水平荷载等其他因素相同的前提下，桩径越大，桩顶水平位移越小，说明增大桩径可以有效地减小水平位移，抵抗水平荷载。但桩径从1.2 m增加到1.5 m时，水平位移从3.25 mm减小到3.06 mm,说明继续增加桩径对提高水平承载力效果并不明显。

从图1(a)还可以看出，桩径较小时，水平位移沿着桩的埋深衰减相对较快，而桩径增大时，衰减相对较慢，趋势偏于直线。分析其原因为：桩径小时，桩的长细比较大，桩可能表现为弹性长桩，在近基础底部的土体会发生屈服，变形较大；桩径大，桩的长细比较小，桩的受力特性近似为刚性，位移曲线会沿桩身呈直线发展趋势。

图1　不同桩径下埋深与桩身水平位移及弯矩曲线 Fig.1　Curves of embedded depth vs. horizontal displacement and bending moment of pile in the presence of different pile diameters

从弯矩分布曲线(图1(b))看，桩径越大，弯矩越大，这是由于桩身弯矩同桩径和桩身变形有关，桩径增加，虽然位移减小，但截面惯性矩增加，抗弯刚度提高了，同时桩身变形减小，弯矩增大，最大弯矩点的深度也加大，说明增加桩径对减小桩身位移、抵抗水平荷载有效，但是弯矩的影响深度变大，增加过多就会造成浪费。考虑本工程水平荷载不是很大，建议选用桩径1.0 m的钻孔灌注桩基础。

3.2　桩长对桩身受力特性的影响分析

考虑本工程桩基础主要承担水平荷载，且泵站基础桩顶5 m以下，地质条件较好，实际桩长不宜过长，取桩长分别为8，10，12，15 m 4种情况进行分析，其余参数同上。

从图2可以看出，随着桩长的变化，桩的工作性状也发生了改变。当桩长为8 m时，桩的位移变化近似为直线，桩底端出现后翘，符合刚性短桩的受力特点;桩身未发生扰曲变形，表现为绕靠近桩体底端的某点做刚体运动，弯矩的最大值大约在距桩柱顶0.4L处，变幅不大。桩长超过10 m的弯矩趋势为曲线，桩长越长，桩身位移逐渐减小，桩身弯矩最大值越靠近桩顶，随桩长变化，位移和弯矩随桩身衰减很快，桩的下部弯矩与位移接近0，结果符合长桩的受力特性[9-12]。

图2　不同桩长下相对埋深与桩身水平位移及弯矩曲线 Fig.2　Curves of relative embedded depth vs. horizontal displacement and bending moment of pile in the presence of different pile lengths

计算结果表明，相同地质条件，不同桩长在相同水平荷载下，位移曲线、弯矩曲线的差别较小，所以工程上盲目增加桩长是不经济的。建议本工程桩长选用12 m，较为经济合理。

3.3　桩基混凝土弹性模量对桩身受力特性的影响分析

根据桩基础相关规范[5-7]规定，桩基础的混凝土强度不小于C25，采用不同弹性模量的混凝土对桩基础水平承载力的影响及工程造价密切相关，具有重要的实际意义。

数值计算采用C25,C30,C40三种不同强度的混凝土进行比较计算，弹性模量E分别为28,30,32.5 GPa。

随着混凝土弹性模量增加，桩身最大弯矩呈增长的趋势，桩顶水平位移呈下降趋势，但变化不大，如图3。弹性模量对桩身弯矩的影响要大于对位移的影响。与桩径对桩身受力的影响类似，采用较高弹性模量的混凝土使桩身弯矩增大，对限制桩顶位移、抵制水平荷载贡献不大，因此采用较高弹性模量(较高标号)的混凝土是不经济的，本工程桩基础混凝土强度选用C25。

图3　不同混凝土弹性模量下埋深与 桩身水平位移关系及最大弯矩 Fig.3　The relationship between depth and horizontal displacement, and the maximum bending moment in the presence of different elastic moduli of concrete

3.4　桩基土弹性模量对桩身受力特性的影响分析

结合工程实际，桩基土弹性模量依次为11，45，70 MPa,其深度分别为5，8，2 m，泵站底板以下约5 m内，为低液限黏土。因泵站基础较深，平整场地有部分砂性弃土，与低液限黏土进行换填，弹性模量从11 MPa提高到28 MPa，其他条件同上，进行计算。

从图3(a)可以看出，随着土体弹性模量的增大，桩顶位移减小，要改善桩的水平位移，改善桩侧上部土质是非常有效的方法。5倍直径范围内的桩侧土弹性模量变化对桩的水平位移影响较大[12]，本工程桩侧5倍直径范围外的土体条件较好，弹性模量较大，对减小桩基础的水平位移贡献较大。

本工程根据现场实际开挖情况，考虑部分换填砂土处理，将弹性模量提高到28 MPa，水平位移减小1.6 mm，见图4。

3.5　桩基顶部约束对桩身受力特性的影响分析

如考虑将泵站底板作为桩基础的承台，经计算，桩侧摩阻力可提高约7%～35%，桩端阻力可以提高约2%～25%，承台本身可承担荷载约10%～65%[13-14]。钻孔灌注桩与承台链接，约束桩头，加强底板与桩基的相互作用，共同承受侧向水平荷载[11-15]。数值分析取桩长12 m,桩径1.0 m，桩身混凝土强度等级C25，土质为换基前的原状土质，桩顶约束与桩顶自由的桩身位移情况，如图5所示。从图5可以看出，桩顶约束时可以明显减小桩顶位移，且位移数值衰减较快。

图4 顶部置换后不同土质桩身位移Fig.4 Displacementsofpilebeforeandafterchangingthesoilonthetop图5 桩顶约束与桩顶自由时桩身位移Fig.5 Displacementsofpileinthepresenceandintheabsenceofrestraintonpiletop

4结语

同时承受竖向荷载及水平荷载桩基础的数值模拟研究，应结合具体工程实际，从经济合理、可行的角度，重点考虑如下几点：

(1) 增加桩基础的直径，可明显提高桩基础的水平承载力。 但会引起工程造价的提高，因此在具体工程中，应同时考虑承载力和经济的要求，考虑桩基础与承台嵌固，拟定合适的桩径。

(2) 桩长对桩基础的工作性状影响很大，随着桩长的增加，桩的工作性状依次表现为刚性短桩、中长桩和弹性长桩；承受特定水平荷载的桩基础超过一定长度， 增加桩长对桩基础提高水平承载力的能力并不明显。

(3) 桩基不同弹性模量的混凝土对承担水平荷载的贡献不大，实践中，应根据实际，采用不同弹性模量混凝土，计算、比较分析，在经济合理的范围内选择，降低工程造价。

(4) 桩侧5倍直径范围内的土体弹性模量对桩顶水平位移影响较大，在此范围内，改善桩侧土的性能，可以有效地提高桩基的水平承载力。

(5) 桩基础工程研究中，下一步应考虑桩顶与底板嵌固的群桩效应，通过改变桩顶嵌入承台的长度来调节桩顶的约束条件，协调桩顶负弯矩、桩身最大正弯矩、桩身位移和桩的水平承载力及桩距。

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(编辑：姜小兰)

Numerical Simulation on Horizontal Loading Characteristics ofSingle-pile Foundation in Pumping Station

LIU Yang, LIU Yang(male), LI Jian-fang

(Planning and Design Department，Jilin Provincial Water Conservancy and Hydropower Survey Design

and Research Institute, Changchun130021, China)

Abstract:Bankside diversion hydraulic pump station is subjected to large uplift pressure and horizontal load so that

the eccentricity is too large. Even if the eccentric weight of pumping station is increased, the anti-slide safety coefficient and base stress of pump couldn’t meet the requirements of specification. It’s difficult to research the vertical loads and horizontal loads of single-pile foundation by analytical methods. So finite element numerical analysis is employed in this paper to analyze the influences of pile diameter, pile length, elastic modulus of foundation soil on the bending moment and displacement of pile foundation. Results indicate that restraining pile top, increasing pile diameter and improving the elastic modulus of foundation soil contribute largely to resist the horizontal loads of pile foundation; while the effects of increasing pile length and improving the elastic modulus of concrete pile are not obvious. The anti-slide safety coefficient and base stress of pump could meet the requirements of specification by restraining the pile top, increasing the diameter of pile, and improving the elastic modulus of foundation soil.

Key words: pump station; sing-pile foundation; bored pile; horizontal load; numerical simulation

2015,32(04):101-108

2015,32(04):96-100