泵站單樁基礎(chǔ)水平承載特性數(shù)值模擬分析

劉陽， 劉陽(男)， 李建方

(吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 規(guī)劃設(shè)計(jì)處，長春130021)

摘要：岸邊引水式泵站廠房受較大揚(yáng)壓力作用，同時(shí)承受較高的水平向荷載，且偏心距較大，即使增加泵站偏心重量，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和泵站基底大小應(yīng)力也難以滿足規(guī)范要求。而通過解析法研究單樁基礎(chǔ)豎向荷載及水平荷載又比較困難，所以采用有限元數(shù)值分析，并考慮樁徑、樁長、地基土彈性模量等因素的變化，對(duì)樁基彎矩與位移的影響進(jìn)行分析。研究得出：約束樁頂、增加樁徑、提高地基土彈性模量，對(duì)樁基抵制水平荷載貢獻(xiàn)較大；而增加樁長、提高樁基混凝土彈性模量，對(duì)樁基抵抗水平荷載效果不明顯。通過采用約束樁頂、增加樁徑、提高地基土彈性模量等措施，泵站抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及基底應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：泵站；單樁基礎(chǔ)；孔灌注樁；水平荷載；數(shù)值分析

中圖分類號(hào)：TU473.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2013-11-08 ；修回日期：2014-03-25

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)

作者簡介：胡輝(1968-)，男，湖南衡陽人，高級(jí)工程師，博士，從事基坑支護(hù)、軟土加固方面的研究，(電話)13924098138(電子信箱)thuhui@jnu.edu.cn。

通訊作者：湯連生(1963-)，男，江西萍鄉(xiāng)人，教授，博士，從事地質(zhì)工程、巖土力學(xué)、巖土化學(xué)力學(xué)方面的研究，(電話)13809773663(電子信箱)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

作者簡介：鄧成進(jìn)(1986-)，男，湖北隨州人，助理工程師，碩士，主要從事水工設(shè)計(jì)、邊坡數(shù)值模擬計(jì)算工作，(電話)029-88290212(電子信箱)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，泵站站址地勢(shì)較低，受水城市地勢(shì)較高，輸水路徑較遠(yuǎn)，泵站與受水城市間的自然高差近60 m，總揚(yáng)程較高。泵站地面以下的建筑物深度18 m。泵站基礎(chǔ)坐落在低液限黏土上，承載力較低，摩擦系數(shù)較小，經(jīng)計(jì)算，泵站基底出現(xiàn)拉應(yīng)力，偏心距較大，基底大小應(yīng)力比>2,泵站整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)<1,均不滿足規(guī)范[1]要求。

調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，增厚泵站側(cè)墻及底板，以期調(diào)整偏心距、降低底板拉應(yīng)力，達(dá)到滿足整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算的要求。經(jīng)反復(fù)試算，結(jié)果仍不滿足規(guī)范要求。

水工泵站廠房不同于一般工業(yè)廠房，雖然自重較大，但岸邊泵站揚(yáng)壓力較高，埋深較大，整體承受側(cè)向水平力相對(duì)較高，是其不滿足要求的影響因素。設(shè)計(jì)考慮采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)承受側(cè)向水平力[2-4]，其設(shè)計(jì)直徑及樁長不宜過小，但過大又可能造成浪費(fèi)，故研究確定經(jīng)濟(jì)合理的樁基礎(chǔ)形式，十分必要。

2數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)

現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范關(guān)于研究樁基礎(chǔ)水平荷載的主要影響因素及確定經(jīng)濟(jì)合理的鉆孔灌注樁型式，其解析解答較為困難[5-7]。本文采用數(shù)值分析方法[8]，考慮泵站鉆孔灌注樁的樁徑、樁長、地基土彈性模量、不同彈性模量混凝土等因素的變化，研究不同因素下的單樁基礎(chǔ)受力特性。

數(shù)值分析中，土體采用Mohr-Coulomb 模型[3，9-11]，泵站底板采用鋼筋混凝土實(shí)體建模，樁基礎(chǔ)采用梁單元，計(jì)算考慮樁土間的相互作用[11-12]。樁土體系的力學(xué)模型[3，9]表示為

(1)

樁基礎(chǔ)地質(zhì)巖性條件，從上至下依次為低液限黏土(厚度5 m)、含細(xì)粒土砂(厚度8 m)、級(jí)配良好的礫石。樁基礎(chǔ)地質(zhì)參數(shù)如表1。

表1　樁基礎(chǔ)地質(zhì)參數(shù) Table 1　Geological parameters of pile foundation

3數(shù)值分析

根據(jù)文獻(xiàn)[9],樁的剛度因數(shù)T與入土深度L的關(guān)系，劃分樁的分類標(biāo)準(zhǔn)如表2。

表2　樁的劃分標(biāo)準(zhǔn) Table 2　Criterion of classifying piles

其中剛度因數(shù)T的計(jì)算公式為

(2)

式中：E為樁的彈性模量(kPa)；J為樁的截面慣性矩(m4)；EJ為樁的抗彎剛度(kN·m2)；m為樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)(隨深度近似呈直線增大)(kN/m4)；b0為樁的計(jì)算寬度(m)。

本工程樁基礎(chǔ)同時(shí)承擔(dān)豎向荷載及水平荷載，計(jì)算4T=10.01 m，滿足豎向承載力要求的樁長為10.8 m> 4T,因此樁身應(yīng)設(shè)計(jì)為彈性長樁。

為研究各個(gè)因素對(duì)樁基水平受力特性的影響，假設(shè)樁頂自由，初擬計(jì)算樁長為15 m、樁徑為1.0 m進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C25，彈性模量Ec=28 GPa，重度為25 kN/m3, 作用在單樁頂?shù)乃胶奢d為139 kN，樁基礎(chǔ)采用梁單元進(jìn)行分析。

3.1　樁徑對(duì)樁身受力特性的影響分析

取樁徑分別為0.8,1.0,1.2,1.5 m 4種情況，其余計(jì)算參數(shù)同上。不同樁徑下埋深與樁身水平位移及彎矩曲線如圖1所示。

從圖1(a)可以看出，樁徑由0.8 m增加到1.0 m時(shí)，樁頂最大位移由5.83 mm減小到4.18 mm,說明在水平荷載等其他因素相同的前提下，樁徑越大，樁頂水平位移越小，說明增大樁徑可以有效地減小水平位移，抵抗水平荷載。但樁徑從1.2 m增加到1.5 m時(shí)，水平位移從3.25 mm減小到3.06 mm,說明繼續(xù)增加樁徑對(duì)提高水平承載力效果并不明顯。

從圖1(a)還可以看出，樁徑較小時(shí)，水平位移沿著樁的埋深衰減相對(duì)較快，而樁徑增大時(shí)，衰減相對(duì)較慢，趨勢(shì)偏于直線。分析其原因?yàn)椋簶稄叫r(shí)，樁的長細(xì)比較大，樁可能表現(xiàn)為彈性長樁，在近基礎(chǔ)底部的土體會(huì)發(fā)生屈服，變形較大；樁徑大，樁的長細(xì)比較小，樁的受力特性近似為剛性，位移曲線會(huì)沿樁身呈直線發(fā)展趨勢(shì)。

圖1　不同樁徑下埋深與樁身水平位移及彎矩曲線 Fig.1　Curves of embedded depth vs. horizontal displacement and bending moment of pile in the presence of different pile diameters

從彎矩分布曲線(圖1(b))看，樁徑越大，彎矩越大，這是由于樁身彎矩同樁徑和樁身變形有關(guān)，樁徑增加，雖然位移減小，但截面慣性矩增加，抗彎剛度提高了，同時(shí)樁身變形減小，彎矩增大，最大彎矩點(diǎn)的深度也加大，說明增加樁徑對(duì)減小樁身位移、抵抗水平荷載有效，但是彎矩的影響深度變大，增加過多就會(huì)造成浪費(fèi)?？紤]本工程水平荷載不是很大，建議選用樁徑1.0 m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

3.2　樁長對(duì)樁身受力特性的影響分析

考慮本工程樁基礎(chǔ)主要承擔(dān)水平荷載，且泵站基礎(chǔ)樁頂5 m以下，地質(zhì)條件較好，實(shí)際樁長不宜過長，取樁長分別為8，10，12，15 m 4種情況進(jìn)行分析，其余參數(shù)同上。

從圖2可以看出，隨著樁長的變化，樁的工作性狀也發(fā)生了改變。當(dāng)樁長為8 m時(shí)，樁的位移變化近似為直線，樁底端出現(xiàn)后翹，符合剛性短樁的受力特點(diǎn);樁身未發(fā)生擾曲變形，表現(xiàn)為繞靠近樁體底端的某點(diǎn)做剛體運(yùn)動(dòng)，彎矩的最大值大約在距樁柱頂0.4L處，變幅不大。樁長超過10 m的彎矩趨勢(shì)為曲線，樁長越長，樁身位移逐漸減小，樁身彎矩最大值越靠近樁頂，隨樁長變化，位移和彎矩隨樁身衰減很快，樁的下部彎矩與位移接近0，結(jié)果符合長樁的受力特性[9-12]。

圖2　不同樁長下相對(duì)埋深與樁身水平位移及彎矩曲線 Fig.2　Curves of relative embedded depth vs. horizontal displacement and bending moment of pile in the presence of different pile lengths

計(jì)算結(jié)果表明，相同地質(zhì)條件，不同樁長在相同水平荷載下，位移曲線、彎矩曲線的差別較小，所以工程上盲目增加樁長是不經(jīng)濟(jì)的。建議本工程樁長選用12 m，較為經(jīng)濟(jì)合理。

3.3　樁基混凝土彈性模量對(duì)樁身受力特性的影響分析

根據(jù)樁基礎(chǔ)相關(guān)規(guī)范[5-7]規(guī)定，樁基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度不小于C25，采用不同彈性模量的混凝土對(duì)樁基礎(chǔ)水平承載力的影響及工程造價(jià)密切相關(guān)，具有重要的實(shí)際意義。

數(shù)值計(jì)算采用C25,C30,C40三種不同強(qiáng)度的混凝土進(jìn)行比較計(jì)算，彈性模量E分別為28,30,32.5 GPa。

隨著混凝土彈性模量增加，樁身最大彎矩呈增長的趨勢(shì)，樁頂水平位移呈下降趨勢(shì)，但變化不大，如圖3。彈性模量對(duì)樁身彎矩的影響要大于對(duì)位移的影響。與樁徑對(duì)樁身受力的影響類似，采用較高彈性模量的混凝土使樁身彎矩增大，對(duì)限制樁頂位移、抵制水平荷載貢獻(xiàn)不大，因此采用較高彈性模量(較高標(biāo)號(hào))的混凝土是不經(jīng)濟(jì)的，本工程樁基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度選用C25。

圖3　不同混凝土彈性模量下埋深與 樁身水平位移關(guān)系及最大彎矩 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　樁基土彈性模量對(duì)樁身受力特性的影響分析

結(jié)合工程實(shí)際，樁基土彈性模量依次為11，45，70 MPa,其深度分別為5，8，2 m，泵站底板以下約5 m內(nèi)，為低液限黏土。因泵站基礎(chǔ)較深，平整場(chǎng)地有部分砂性棄土，與低液限黏土進(jìn)行換填，彈性模量從11 MPa提高到28 MPa，其他條件同上，進(jìn)行計(jì)算。

從圖3(a)可以看出，隨著土體彈性模量的增大，樁頂位移減小，要改善樁的水平位移，改善樁側(cè)上部土質(zhì)是非常有效的方法。5倍直徑范圍內(nèi)的樁側(cè)土彈性模量變化對(duì)樁的水平位移影響較大[12]，本工程樁側(cè)5倍直徑范圍外的土體條件較好，彈性模量較大，對(duì)減小樁基礎(chǔ)的水平位移貢獻(xiàn)較大。

本工程根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖情況，考慮部分換填砂土處理，將彈性模量提高到28 MPa，水平位移減小1.6 mm，見圖4。

3.5　樁基頂部約束對(duì)樁身受力特性的影響分析

如考慮將泵站底板作為樁基礎(chǔ)的承臺(tái)，經(jīng)計(jì)算，樁側(cè)摩阻力可提高約7%～35%，樁端阻力可以提高約2%～25%，承臺(tái)本身可承擔(dān)荷載約10%～65%[13-14]。鉆孔灌注樁與承臺(tái)鏈接，約束樁頭，加強(qiáng)底板與樁基的相互作用，共同承受側(cè)向水平荷載[11-15]。數(shù)值分析取樁長12 m,樁徑1.0 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，土質(zhì)為換基前的原狀土質(zhì)，樁頂約束與樁頂自由的樁身位移情況，如圖5所示。從圖5可以看出，樁頂約束時(shí)可以明顯減小樁頂位移，且位移數(shù)值衰減較快。

圖4 頂部置換后不同土質(zhì)樁身位移Fig.4 Displacementsofpilebeforeandafterchangingthesoilonthetop圖5 樁頂約束與樁頂自由時(shí)樁身位移Fig.5 Displacementsofpileinthepresenceandintheabsenceofrestraintonpiletop

4結(jié)語

同時(shí)承受豎向荷載及水平荷載樁基礎(chǔ)的數(shù)值模擬研究，應(yīng)結(jié)合具體工程實(shí)際，從經(jīng)濟(jì)合理、可行的角度，重點(diǎn)考慮如下幾點(diǎn)：

(1) 增加樁基礎(chǔ)的直徑，可明顯提高樁基礎(chǔ)的水平承載力。 但會(huì)引起工程造價(jià)的提高，因此在具體工程中，應(yīng)同時(shí)考慮承載力和經(jīng)濟(jì)的要求，考慮樁基礎(chǔ)與承臺(tái)嵌固，擬定合適的樁徑。

(2) 樁長對(duì)樁基礎(chǔ)的工作性狀影響很大，隨著樁長的增加，樁的工作性狀依次表現(xiàn)為剛性短樁、中長樁和彈性長樁；承受特定水平荷載的樁基礎(chǔ)超過一定長度， 增加樁長對(duì)樁基礎(chǔ)提高水平承載力的能力并不明顯。

(3) 樁基不同彈性模量的混凝土對(duì)承擔(dān)水平荷載的貢獻(xiàn)不大，實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際，采用不同彈性模量混凝土，計(jì)算、比較分析，在經(jīng)濟(jì)合理的范圍內(nèi)選擇，降低工程造價(jià)。

(4) 樁側(cè)5倍直徑范圍內(nèi)的土體彈性模量對(duì)樁頂水平位移影響較大，在此范圍內(nèi)，改善樁側(cè)土的性能，可以有效地提高樁基的水平承載力。

(5) 樁基礎(chǔ)工程研究中，下一步應(yīng)考慮樁頂與底板嵌固的群樁效應(yīng)，通過改變樁頂嵌入承臺(tái)的長度來調(diào)節(jié)樁頂?shù)募s束條件，協(xié)調(diào)樁頂負(fù)彎矩、樁身最大正彎矩、樁身位移和樁的水平承載力及樁距。

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(編輯：姜小蘭)

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