竖向荷载作用下桩基的性状研究

杨毅，程昌勤，周少成

（江西省交投集团抚州管理中心，江西抚州 344000）

0 引言

桥梁桩基是上部荷载传向地基的一个传力构件，因此其安全性对桥梁工程至关重要。上部荷载主要包括上部结构的自重及汽车行驶带来的竖向循环荷载，因此，桩基础必须具备一定的刚度及强度。在循环荷载作用下，桩基容易产生疲劳破坏。许多研究人员对竖向荷载作用下的桩基进行研究，本文基于现有的研究成果，为研究桩基在竖向荷载作用下的性状，结合工程案例，利用ANSYS有限元软件建立三维模型，对桩基在不同静荷载作用下的桩基性状和在不同循环荷载作用下的桩身累积沉降进行分析。

1 工程概况

某高架桥梁，上部结构采用预应力混凝土连续梁，横断面形式为四片预应力箱梁，桥面宽11.25m，为双向四车道高速公路。在设计时桥涵的汽车荷载采用公路一级标准进行设计；桥梁的下部采用钻孔灌注桩，混凝土强度等级为C30，桩长20～25m。

2 ANSYS有限元分析

随着计算机技术的发展，越来越多的有限元软件被研发出来。ANSYS是一款大型的有限元设计软件，由于其强大的建模功能、分析计算能力及材料参数的可控性等特点被广泛应用于岩土工程、结构工程等众多领域，本文借助ANSYS14.0对工程中的桩基进行建模、划分网格、荷载施加及计算分析。

2.1 建立有限元模型

本次模拟的模型采用solid45实体单元进行建模，桩的长度设置为20m，直径设置为1m，考虑模型中桩的影响范围，模型的土体直径为5倍桩径，深度为2倍桩径，在桩底设置固定约束，桩侧只约束X向及Y向约束，释放竖向约束。对桩模型进行网格划分。模型中的相关参数设置见表1及表2所示。

表1 模型参数设置表

表2 模型参数设置表

2.2 模拟工况

本次模拟的工程包括两个阶段，一个是静载阶段，另一个是循环加载阶段。首先对桩基进行静载加载，即加载至Ps处，随后进行循环荷载的加载，循环荷载的幅值为Pc，根据相关规范规定，在桥梁工程中的桩基极限承载力约为Pu=9500kN，上部恒荷载取值为0.27倍桩基极限承载力，即Ps=0.27Pu=2565kN，Pc分别取0.1Pu，0.15Pu，0.2Pu，0.25Pu，0.3Pu，进行的循环次数为2～10万次，模拟过程的加载图如图1所示。

图1 模拟过程加载图

2.3 模型的结果分析

（1）静荷载作用下的桩基性状分析

对模型先进行静载加载，并提取静载加载的模拟结果云图数据，主要研究内容包括桩身的竖向位移、桩侧的最大摩阻力及土体的竖向位移，最后的结果如表3所示。

表3 不同竖向荷载作用下对桩土的性状影响

由表3可知，随着静力荷载的不断增大，桩身的竖向位移、土体的竖向位移及桩侧的最大摩阻力都随着增加，静荷载从960kN增至2 880kN，桩身的竖向位移从4.76mm变至9.23mm，土体的竖向位移从4.16mm增加至8.10mm，桩侧的最大摩阻力从23.73kPa增大至24.05kPa，可见桩侧的最大摩阻力变化较小。这主要是由于从静载加载开始，施加的荷载主要由桩侧摩阻力来承担，而桩端阻力承担得较少，当荷载不断增大时，桩侧阻力与桩端阻力都将增大，当加载到一定值时，桩端与桩侧的阻力比例保持不变，桩侧随荷载的增大发挥到极限，处于一个相对稳定的变化。

（2）循环荷载作用下的桩基性状分析

桩基在循环荷载作用下的桩基性状主要从不同循环荷载作用下的桩身累积沉降进行分析，对循环荷载作用后的累积沉降如表4所示。

表4 不同竖向循环荷载作用下对桩身的累积沉降

由表4可知，当荷载一定时，随着循环次数的不断增多，桩身的沉降将越来越大，当循环次数一定时，随着荷载的不断增加，桩身的累积沉降也将不断增大。当荷载为0.1Pu时，从循环次数为0次到10万次，桩身的累积沉降值从4.76mm增大至5.25mm，共增加了10.3%，当荷载为0.3Pu时，从循环次数为0次到10万次，桩身的累积沉降值从9.23mm增大至12.75mm，共增加了27.6%，可见竖向荷载的大小对桩身的影响较大；当荷载为0.1Pu时，循环的次数从0次到2万次循环时，桩身的累积沉降值从4.76mm增加至5.01，增加5.3%，循环的次数从6万次至10万次循环时，桩身的累积沉降值从5.22mm增加至5.25，增加0.57%，说明最初的土体较松散，在荷载作用下沉降较大，但随着循环荷载的不断作用，土层不断被挤压固结，后期的沉降也就趋于稳定。

3 结语

本文基于现有的研究成果，结合工程案例，利用ANSYS有限元软件建立三维模型，对桩基在不同静荷载作用下的桩基性状和在不同循环荷载作用下的桩身累积沉降进行统计分析。研究结果表明：在不同静荷载作用下，随着静荷载的不断增大，对桩身的竖向位移、土体的竖向位移即桩侧的最大摩阻力都将增大，在不同循环荷载作用下，桩身的累积沉降随着循环次数的增多而增大，后期趋于稳定，主要是由于在多次循环荷载作用下，土层被挤压固结，沉降趋于稳定；桩身的累积沉降还会随着循环荷载的增大而增加。希望本文的研究能够为同类工程提供参考。