高富春，甕文芳，張　鵬

(1.華電福新能源股份有限公司，北京　100031；2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安　710065)

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有限元模擬褥墊層厚度對(duì)新建樁基的影響

高富春1，甕文芳2，張鵬2

(1.華電福新能源股份有限公司，北京100031；2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安710065)

某基礎(chǔ)改造項(xiàng)目擬在原位置施工PHC(預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土)樁基礎(chǔ)，未完全拆除的P&H(預(yù)應(yīng)力混凝土)基礎(chǔ)會(huì)對(duì)新建樁基的豎向受力產(chǎn)生影響。文章通過有限元方法，對(duì)該問題進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：P&H基礎(chǔ)的存在會(huì)使新建樁所受豎向壓力減小，拔力增大，對(duì)樁基受力十分不利。為消除此影響，在P&H基礎(chǔ)與新建承臺(tái)之間鋪設(shè)一定厚度的褥墊層。通過有限元模擬，計(jì)算不同墊層厚度下新建樁基豎向受力值，并與改造設(shè)計(jì)的承載力特征值比較，以確定合適的墊層厚度。

P&H基礎(chǔ)；協(xié)調(diào)作用；樁豎向受力；褥墊層;厚度；有限元模擬

0　前　言

在剛性基礎(chǔ)與相對(duì)柔性基礎(chǔ)組成的復(fù)合地基中，一般通過設(shè)置褥墊層以達(dá)到兩者協(xié)調(diào)變形，共同承擔(dān)上部荷載的目的。褥墊層的原理，基于Tokoy于1997年所做的樁與承臺(tái)共同作用的試驗(yàn)，當(dāng)樁與承臺(tái)留有空隙，荷載只通過承臺(tái)傳給地基，沉降超過5 mm時(shí)，樁才參與工作。李小青等[1-2]通過探究褥墊層設(shè)置的必要性和調(diào)節(jié)作用，從變形協(xié)調(diào)的角度分析了墊層發(fā)揮作用的原因，并給出褥墊層厚度的計(jì)算方法。復(fù)合地基中剛性和柔性樁基分擔(dān)荷載的比例與樁的剛度緊密相連，曹衛(wèi)平等[3]根據(jù)豎向荷載下樁的變形特征，基于最小勢(shì)能原理，推導(dǎo)樁的抗壓剛度計(jì)算公式，即樁頂發(fā)生單位位移時(shí)需要施加在樁頂?shù)呢Q向荷載大小。

本文基于實(shí)際工程，將墊層發(fā)揮作用的原理，應(yīng)用在P&H(預(yù)應(yīng)力混凝土)基礎(chǔ)和新建PHC(預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土)樁的協(xié)調(diào)工作中。通過ABAQUS有限元模擬計(jì)算驗(yàn)證墊層設(shè)置的必要性，并確定合適的墊層厚度，使新建樁基豎向力滿足設(shè)計(jì)承載力要求。

1　工程概況

某工程為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)改造工程，原基礎(chǔ)采用P&H基礎(chǔ)，鑒于基礎(chǔ)螺桿陸續(xù)出現(xiàn)無規(guī)則斷裂，對(duì)采用此種基礎(chǔ)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。改造方案為樁基礎(chǔ)重新設(shè)計(jì)施工。由于征地限制，只能拆除上部P&H基礎(chǔ)，在原機(jī)位采用群樁基礎(chǔ)混凝土承臺(tái)的基礎(chǔ)型式，并在其上澆筑承臺(tái)，周圍新建PHC預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。承臺(tái)直徑為18 m，PHC管樁布置直徑16.8 m。改造設(shè)計(jì)如圖1所示：

采用CFD風(fēng)力工程計(jì)算軟件設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，僅能計(jì)算布置在承臺(tái)外圈的PHC樁，不能考慮原P&H基礎(chǔ)的影響。實(shí)際上，改造后原P&H基礎(chǔ)仍位于承臺(tái)中心底部，其剛度相對(duì)于新建PHC樁較大，在群樁內(nèi)力分配中的作用不可忽略。如前文所述，可以通過鋪設(shè)褥墊層削弱P&H基礎(chǔ)作用。本文通過計(jì)算P&H基礎(chǔ)以及褥墊層厚度對(duì)新建樁基豎向受力的影響，確定合適的墊層厚度，作為設(shè)計(jì)計(jì)算的補(bǔ)充和參考。褥墊層采用級(jí)配碎石土，碎石土參數(shù)及配比參考文獻(xiàn)[4]和褥墊層的相關(guān)文獻(xiàn)[5-15]。

2　有限元建模計(jì)算

本文用ABAQUS有限元軟件對(duì)新建基礎(chǔ)與原P&H基礎(chǔ)建模分析，研究改造后P&H基礎(chǔ)以及褥墊層對(duì)新建樁基內(nèi)力的影響，以確定合適的墊層厚度。在研究新建樁豎向受力的變化時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)新建樁的定義引入樁抗壓剛度[3]的概念。

參數(shù)選擇：承臺(tái)、P&H基礎(chǔ)、新建PHC樁和墊層均采用三維實(shí)體單元，墊層彈性模量取50 MPa。承臺(tái)采用C40混凝土，彈性模量Ec= 3.25×104MPa，新建PHC樁采用Spring彈簧單元代替實(shí)體樁基，每根彈簧對(duì)應(yīng)1根樁，彈簧剛度取樁抗壓剛度[3]。P&H基礎(chǔ)和承臺(tái)之間接觸定義為硬接觸(hard contact)，受壓時(shí)傳遞壓力，出現(xiàn)受拉區(qū)時(shí)承臺(tái)從P&H基礎(chǔ)上脫開。由于ABAQUS模型中彈簧單元為圖2中凸出部分，如圖2所示。首先分別計(jì)算不考慮P&H基礎(chǔ)作用、考慮P&H基礎(chǔ)直接作用在承臺(tái)上和考慮P&H基礎(chǔ)作用在褥墊層上，之后計(jì)算當(dāng)墊層厚度在100～800 mm范圍內(nèi)變化時(shí)相對(duì)應(yīng)新建PHC樁豎向受力的變化。前者研究無褥墊層時(shí)P&H基礎(chǔ)對(duì)新建樁基豎向受力的影響；后者通過比較，確定合適的褥墊層厚度。

由于機(jī)型不同，基礎(chǔ)上加載荷載分為2種，即機(jī)型1和機(jī)型2載荷。本模擬主要考慮起控制作用的極端荷載工況下的彎矩Mxy、豎向力Fz和水平力的作用Fx，見表1。

表1　不同類型的風(fēng)機(jī)作用在基礎(chǔ)上的載荷表

3　計(jì)算結(jié)果及分析

由于計(jì)算的工況類型和改造基礎(chǔ)個(gè)數(shù)均比較多，本文僅列出10臺(tái)機(jī)位計(jì)算結(jié)果。據(jù)此分別討論P(yáng)&H基礎(chǔ)以及褥墊層厚度對(duì)新建樁內(nèi)力的影響，確定合適的褥墊層厚度。

3.1考慮P&H基礎(chǔ)對(duì)樁內(nèi)力的影響

以10號(hào)機(jī)位(2類荷載，21根樁)為例，分別采用：① 不考慮P&H基礎(chǔ)作用;② P&H基礎(chǔ)直接作用在承臺(tái)上;③ 鋪設(shè)100 mm厚的褥墊層；④ 鋪設(shè)450 mm厚的褥墊層。4種情況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2，10號(hào)機(jī)位樁豎向受力如圖3所示。樁豎向力壓力為負(fù)值，拔力為正值，橫坐標(biāo)為承臺(tái)21根樁分別對(duì)應(yīng)的樁編號(hào)，橫坐標(biāo)軸以上的點(diǎn)表示受拔力的樁。當(dāng)不考慮P&H基礎(chǔ)作用時(shí)，拔力較小，大部分樁均處于受壓狀態(tài)，滿足承載力要求；當(dāng)考慮P&H基礎(chǔ)直接作用在承臺(tái)上時(shí)，拔力最大值由236.5 kN增大到742.4 kN，大于設(shè)計(jì)抗拔承載力特征值520 kN(見表3)，不能滿足設(shè)計(jì)要求；為消除P&H基礎(chǔ)的影響，在P&H基礎(chǔ)與承臺(tái)之間鋪設(shè)一定厚度的褥墊層，鋪設(shè)100 mm厚的褥墊層后拔力降至623.5 kN，鋪設(shè)450 mm厚的墊層顯著降低至401.9 kN，小于抗拔承載力特征值，滿足設(shè)計(jì)要求。其余機(jī)位基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)果均呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)。

P&H基礎(chǔ)相對(duì)于新建PHC樁剛度大得多，分擔(dān)的上部豎向荷載也相對(duì)較大，一旦發(fā)揮作用，PHC樁豎向壓力就會(huì)小很多。P&H基礎(chǔ)位于中心，與承臺(tái)之間沒有直接連接，大部分彎矩仍由PHC樁承擔(dān)。因此，豎向力和彎矩作用下，受拉區(qū)樁出現(xiàn)拔力或拔力增大，抗拔承載力不足的問題凸顯。

表2　3種不同情況下PHC樁豎向力計(jì)算結(jié)果表　/kN

表3　不同褥墊層厚度下PHC樁豎向力計(jì)算結(jié)果表　/kN

褥墊層的鋪設(shè)，可以使PHC樁內(nèi)拔力較無褥墊層時(shí)明顯減小，此處褥墊層通過自身變形起到協(xié)調(diào)作用，削弱P&H基礎(chǔ)的影響，使新建PHC樁分擔(dān)更多的豎向荷載。

3.2褥墊層厚度的確定

由表3的計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著褥墊層厚度的增加，新建PHC樁拔力減小，壓力增大。上述褥墊層作用越來越明顯，PHC樁受壓樁數(shù)以及最大豎向壓力增大，相應(yīng)受拔樁數(shù)和相應(yīng)最大拔力減小,見圖4。受力狀態(tài)在逐漸向不考慮P&H基礎(chǔ)作用時(shí)的受力狀態(tài)回歸靠攏。從安全性和經(jīng)濟(jì)性兩方面考慮，設(shè)計(jì)抗壓和抗拔承載力特征值均得到滿足時(shí)對(duì)應(yīng)的褥墊層最小厚度，為褥墊層的合適厚度。墊層厚度應(yīng)滿足規(guī)范對(duì)褥墊層厚度的要求，且應(yīng)考慮褥墊層變形引起的樁體刺入深度等相關(guān)因素。綜合以上分析，褥墊層厚度取400～500 mm為宜。見圖4。

4　結(jié)　語

P&H基礎(chǔ)剛度較大，留在原位會(huì)對(duì)承臺(tái)及周圍基樁造成較大的影響，使設(shè)計(jì)計(jì)算與實(shí)際存在差距，對(duì)拔力的影響尤其明顯，可能導(dǎo)致其不滿足設(shè)計(jì)要求。通過鋪設(shè)一定厚度的褥墊層，可以削弱P&H基礎(chǔ)對(duì)新建PHC樁豎向受力的影響，且削弱程度隨褥

墊層厚度的增大而加強(qiáng)，逐漸趨近于不考慮P&H基礎(chǔ)作用考慮的受力狀態(tài)。綜合考慮多方面因素考慮，建議選取400～500 mm厚的碎石土作為褥墊層，使樁的受力達(dá)到設(shè)計(jì)允許的范圍。

圖3　P&H基礎(chǔ)對(duì)新建樁豎向受力的影響圖

圖4　褥墊層厚度對(duì)新建樁豎向受力影響圖

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Finite Element Based Simulation of Impacts by Bedding Cushion Thickness on Newly-built Pile Foundation

GAO Fuchun1, WENG Wenfang2, ZHANG Peng2

(1. Huadian Fuxin Energy Co., Ltd., Beijing100031,China; 2. Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)

PHC pile foundation is proposed to construct in which P&H foundation is not removed completely and may impact the vertical action of the newly-built pile foundation. By application of the finite element method, in the paper, the impact is simulated. The simulating result shows that the existing foundation may result in decrease of the vertical pressure of the newly-built piles and increase the uplift action. This is quite unfavorable to the foundation action. To eliminate these impacts, a bedding cushion with certain thickness between the P&H foundation and the newly-built pile cap is proposed to place. Through the finite element simulation, the vertical action of the newly-built pile foundation with different bedding cushion thickness is calculated. This calculating value is compared with the designed value of the bearing capacity so as to determine the thickness of the bedding cushion.Key words:P&H foundation; coordination function; pile vertical action; bedding cushion; thickness; finite element simulation

1006—2610(2016)04—0074—04

2016-05-10

高富春(1971- )，男，陜西省渭南市人，工程師，主要從事新能源領(lǐng)域建設(shè)與研究工作.

TU473.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.019