桩基约束对深水基础封底混凝土应力影响分析

钟 卫

（湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015）

随着我国经济的发展和桥梁技术的日益成熟，桥梁跨越能力不断增强，近些年来大量跨江、跨河、跨海大桥不断建成通车，这类大跨桥梁的共同特点是在建设过程中不可避免地要面临大型深水基础这个施工难题，而深水承台基础施工往往成为这类大跨桥梁的控制性工程。在进行深水承台基础施工时，常采用双壁钢围堰法，该方法要求在施工中必须通过浇筑水下混凝土对围堰进行封底止水，然后再进行承台、墩身等其他工序施工。因此，封底混凝土是一道关乎施工安全的重要施工工序，且混凝土体量较大，封底混凝土的合理设计计算，是保证施工质量、安全，有效降低施工措施费用的重要保障。

本文以某高速公路跨江大桥为工程案例，通过计算分析比较，研究桩基约束对封底混凝土受力的影响，并以此确定桩基约束合理的模拟方法，为类似工程封底混凝土的设计计算提供参考。

1 封底混凝土

深水基础封底混凝土的主要作用是止水、抗浮，其厚度的选取，主要考虑两个因素，一是抗浮稳定性；二是封底混凝土应力状况，计算主要考虑围堰内抽水后，封底混凝土底部在水压力作用下的应力。由于实际工程中，抗浮容易通过各种压重措施满足施工要求，因此，封底混凝土应力计算往往成为封底混凝土设计的关键因素。由于封底混凝土结构规则，受力简单，计算的关键在于合理考虑封底混凝土的边界条件。

2 封底混凝土应力计算方法

封底混凝土应力计算一般有理论公式法和有限元分析法两种方法，理论公式法一般是将封底混凝土简化为单向板或双向板进行计算。该方法的优点是计算简单便捷，缺点是将实际结构简化为梁进行计算，计算与实际受力存在差异，更重要的是无法准确考虑桩基约束对封底混凝土的影响。

有限元分析法是采用有限元分析软件进行封底混凝土的分析计算，该方法的优点是，计算可以充分考虑实际结构受力情况和约束条件，计算精度高，计算结果直观。

3 有限元分析计算

3.1 工程概括

某高速公路跨江大桥采用双幅设计，上部为主跨130 m连续梁，下部采用实体墩，基础采用承台接桩基础结构，承台长、宽均为13.6 m，厚4.5 m，单幅承台下接9根直径2 m的桩基础。该桥设计水位为H1=27 m，承台顶高程为H2=8.3 m，承台基础采用双壁钢围堰施工，封底采用4.5 m厚C30混凝土，钢护筒直径采用2.2 m，承台及围堰平面如图1所示。

图1 承台及围堰平面示意图/cm

3.2 有限元计算模型

采用大型通用有限元分析软件Ansys对封底混凝土进行计算模拟。

混凝土采用solid45实体单元，根据对称性，选取1/2结构进行建模。

坐标系：X、Y、Z轴分别为封底长边、短边和厚度方向。

荷载情况：封底混凝土结构自重、水压力。

边界条件：封底混凝土1/2结构中心采用对称约束，其余三个侧面采用竖向支撑，顶、底为自由面。

根据实际情况，桩基础对封底混凝土存在约束作用，此约束作用为钢护筒对封底混凝土产生的握裹力，当水压力产生的向上反力小于握裹力时，则考虑施加约束；当水压力产生的向上反力大于握裹力时，封底混凝土与桩基础将发生相对位移，则约束失效。

为了研究桩基础约束作用对封底混凝土受力的影响，进行以下3种情况模拟：①不考虑桩基础对封底混凝土的约束作用，有限元模型如图2所示；②考虑桩基础对封底混凝土的约束作用，以约束形式施加，有限元模型如图3所示；③考虑桩基础对封底混凝土的约束作用，以荷载形式施加，根据相关文献研究结果封底混凝土与桩基钢护筒之间的握裹力系数一般取0.15～0.2 MPa，本文取0.15 MPa，有限元模型如图4所示。

图2 模型1（不考虑桩基约束作用）

图3 模型2（考虑桩基约束，施加约束）

图4 模型3（考虑桩基约束，施加荷载）

3.3 计算结果

各模型计算结果如图5～8所示。

图5 模型1应力结果

图6 模型2应力结果

图7 模型2应力结果

图8 封底混凝土与桩基接触面的应力

由图可知，模型1封底混凝土最大应力为1.11 MPa，最大应力位于封底混凝土顶面中心位置，与按双向板理论公式法计算结果1.20 MPa接近；模型2封底混凝土的最拉应力为0.29 MPa，最大应力位于封底混凝土与钢护筒接触面附近区域，而顶缘混凝土最大拉应力仅为0.08 MPa，小于单向板理论公式法计算结果0.35 MPa，原因在于单向板计算跨径取斜向两根桩间中心距偏大；模型3封底混凝土的最大应力为1.21 MPa，最大应力位于封底混凝土底缘，而封底混凝土总体为顶缘受压、底缘受拉状态，与模型1、模型2应力正负趋势相反，说明握裹力模拟所施加荷载偏大，超过本工程实际握裹力的平均值。由图8可以看出，封底混凝土与钢护筒接触面的局部最大应力为0.185 MPa，而大部分应力均处于较低水平，经计算，接触面单位面积反力为0.08 MPa，约为施加荷载 （0.15 MPa） 的50%。

由此可见，不同约束对封底混凝土受力影响较为明显，将直接影响到混凝土厚度的选取结果。由计算分析可知，采用模型1的方法进行设计，将使封底混凝土厚度取值过于保守， 同时会使围堰高度增加， 经济性较差。采用模型3的方法，握裹力的取值及分布无法确定，计算容易导致与实际不符。模型2的方法合理考虑桩基对封底混凝土的约束作用，约束与工程实际相符，该方法得到混凝土的拉应力计算值较低，同时可以计算得到封底混凝土与桩基间的相互作用力，用以判断封底混凝土与桩基之间是否发生相对位移，约束是否可靠，从而保证了设计的安全性和经济性。

4 结语

本文以某跨江大桥为工程案例，通过有限元模拟，研究分析了桩基约束条件对封底混凝土受力的影响，得出以下结论：

（1） 相比理论公式法，有限元分析法可以模拟桩基对封底混凝土的约束作用，进而更准确地模拟封底混凝土的实际受力。

（2） 不考虑桩基对封底混凝土的约束作用，计算结果偏大，设计偏保守，将会大大增加封底混凝土厚度及围堰高度，经济性较差。

（3） 通过施加竖向荷载的方法模拟桩基对封底混凝土的约束，由于荷载大小及分布难以确定，可能导致计算结果错误，设计不建议采纳。

（4） 通过施加竖向约束的方法模拟桩基对封底混凝土的约束，除了验算封底的应力是否满足要求，还应验算桩基础与封底混凝土之间的受力是否满足要求，以确保约束可靠有效，由此得到的计算结果，可以兼顾结构的安全性和经济性。