薛濤 羅堂

(1.金陵科技學院 南京 211169； 2.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司 武漢 430071)

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數(shù)值模擬在群樁基礎評判標準確定中的應用*

薛濤1羅堂2

(1.金陵科技學院 南京 211169； 2.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司 武漢 430071)

群樁基礎安全穩(wěn)定性評判決策中各因子評判標準邊界的確定是保證其模型正確構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于安全監(jiān)測系統(tǒng)無法測得這種警戒值，因此，本文采用基于ABAQUS軟件的數(shù)值模擬方法，依據(jù)上部結(jié)構(gòu)受力特點及使用要求來確定群樁基礎安全穩(wěn)定性判別決策因子的警戒值。仿真結(jié)果顯示：該方法能可靠獲取超大型深水群樁基礎成橋后的基樁軸力不均勻性和差異沉降的最佳警戒值。

群樁基礎 安全評判 數(shù)值模擬 警戒值

0 引言

超大型深水群樁基礎工程往往結(jié)構(gòu)構(gòu)造復雜、建設條件惡劣、施工工藝復雜、安全隱患問題突出[1]。目前的規(guī)范均以小直徑的中短樁為理論和試驗基礎，對于基樁長度和直徑日益增大的超長樁來說，未能控制的問題還比較多。因此，超大型深水群樁基礎在施工期及運營期內(nèi)，均要求采用安全監(jiān)控技術(shù)，即采用先進傳感器技術(shù)得到工程現(xiàn)場各種效應的真實響應來進行控制[2-3]。在實際工程建設及運營活動中，影響工程安全性的因素非常復雜，這就需要分別對不同的因子進行單一目標安全狀態(tài)的估計，并構(gòu)建綜合安全評判模型[4]，以獲取群樁基礎總目標狀態(tài)的精確估計。由于傳感器數(shù)量繁多、種類各異，影響群樁基礎安全穩(wěn)定性的各因子又具有很強的不確定性，故可采用模糊推理融合算法構(gòu)建模型[5]。然而，該模型評判決策中各因子的評判標準邊界難以確定，故本文擬采用數(shù)值模擬方法確定群樁基礎安全穩(wěn)定性判別決策因子中基樁軸力不均勻因子和差異沉降因子的警戒值。

1 安全評判決策因子的確定

超大型深水群樁基礎監(jiān)控系統(tǒng)安全監(jiān)測主要包括：(1)群樁效應及其對樁基礎安全穩(wěn)定性的影響；(2)基樁樁頂軸力分布不均勻的原因及其對樁基礎安全穩(wěn)定性的影響；(3)沉降及差異沉降對樁基礎安全穩(wěn)定性的影響；(4)考慮群樁效應和大體積混凝土水化熱影響的承臺受力安全性；(5)河床沖淤及其演變規(guī)律對樁基礎安全穩(wěn)定性的影響[6-7]。

實際工程建設中，監(jiān)測內(nèi)容往往按照不同的效應指標由各類傳感器完成。其中，樁的各種應力應變指標可以由應力應變傳感器獲??；承臺沉降變形指標可以由微壓及靜力水準傳感器獲?。缓哟矝_刷深度指標可以由水壓力傳感器獲??；潮位及溫度變化對結(jié)構(gòu)的影響程度可以由潮位及溫度傳感器分別獲取。安全評判時，則是利用獲取的實測數(shù)據(jù)建立原因量和效應量之間的數(shù)學關(guān)系，再根據(jù)建立的預測模型對群樁基礎的工作性狀和安全穩(wěn)定性做出合理、客觀的評判和決策。故安全決策因子可以根據(jù)參與評判的響應量進行確定。本文主要以軸力分布不均勻性因子和差異沉降因子的模擬為例。

2 軸力分布不均勻性因子警戒值的確定

蘇通大橋主塔墩群樁基礎在豎向荷載作用下，承臺、樁間土、樁端土共同工作，相互影響，群樁的工作性狀趨于復雜。尤其是樁頂軸力，將隨著承臺荷載的變化重新分布，且不同位置樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮并不同步，因此，為了保證預測結(jié)果的可靠性，考慮用處于對稱位置樁的樁頂軸力不均勻系數(shù)作為樁頂軸力分布不均勻因子的評判因子，并利用數(shù)值模擬計算得出的結(jié)果作為評判的警戒值。

2.1 模型的建立

該模型計算范圍包括承臺及群樁的自由段部分，考慮到結(jié)構(gòu)及受力條件的對稱性，取其1/2模型進行研究。模型尺寸與實際尺寸一致(1/2承臺面尺寸為56.875 m×48.10 m)，承臺底面標高為-12 m?；鶚陡鶕?jù)面積等效即剛度等效的方法簡化為方柱，邊長為2.48 m。

對稱面的邊界條件為：ux=ury=urz=0，群樁底部的邊界采用全約束。索塔及上部結(jié)構(gòu)荷載以力的形式施加在承臺上，工況為成橋后。荷載可等效為垂直于承臺表面的均布力、東西向彎矩及南北向彎矩(因縱橋向彎矩對警戒值的判斷不會產(chǎn)生影響，故取縱橋向彎矩為0)。均布力大小為5.69×106Pa，橫橋向彎矩為2.57×108N·m。

以垂直于橋軸線方向為x軸，東為正；縱橋向方向為y軸，北為正；垂向為z軸，上為正。承臺在標高-2.4 m以下采用修正的六面體單元，-2.4 m以上部分由于其形狀不規(guī)則，采用四面體單元，基樁采用六面體單元。其有限元模型如圖1。

圖1 有限元模型

2.2 計算參數(shù)選取

基樁和承臺都采用彈性模型模擬，并將主要鋼筋參數(shù)按體積等效彌散到混凝土中。樁的彈性模量為35.6 GPa，泊松比為0.167，重度取24 kN/m3。承臺各部分參數(shù)見表1。

表1 承臺各部分參數(shù)統(tǒng)計表

注：承臺表層鋼筋也彌散到混凝土中，本文未列出；第一層含七層鋼筋。

2.3 警戒值的確定

由于群樁基礎安全監(jiān)控系統(tǒng)的各個響應量無法直接測得警戒值，而承臺、樁、土存在共同作用，對于整個群樁基礎來說，其真實的響應對于上部結(jié)構(gòu)、承臺、樁、地基都是統(tǒng)一的。因此，理論上，當群樁基礎受到外荷載作用時，如果塔根處產(chǎn)生的拉應力達到了其抗拉強度，群樁基礎就達到了警戒狀態(tài)。模擬計算過程中，不斷增加東西向彎矩，直到承臺頂面(塔根處)出現(xiàn)拉應力，此時，上部荷載偏心達到索塔結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，群樁基礎也達到警戒狀態(tài)。

為了能夠獲取群樁基礎達到警戒狀態(tài)的量化指標，定義承臺樁頂軸力最大值(或最小值)與平均值的差比上平均值為軸力不均勻性系數(shù)，取二者之間最大值即可作為軸力分布不均勻性因子的警戒值。

(1)

通過計算得到警戒值為0.35。圖2為最終的基樁軸力云圖。

圖2 基樁軸力云圖

3 差異沉降因子警戒值的確定

蘇通大橋索塔上部結(jié)構(gòu)是高聳倒“Y”字型雙塔肢結(jié)構(gòu)，塔墩屬超大型深水群樁基礎，受力條件非常復雜，加之河床不均勻沖刷等因素的影響，導致基礎出現(xiàn)差異沉降。而差異沉降將對索塔受力產(chǎn)生重要影響，導致差異沉降加劇。因此，在安全預測過程中，差異沉降因子被確定為評判群樁基礎可靠性的決策因子。

3.1 模型的建立

該模型計算范圍包括承臺和索塔，考慮到受力條件的不對稱性，采用整體模型，模型尺寸與實際尺寸一致，承臺尺寸為113.75m×48.10m，索塔高度300.6m。承臺底面標高為-12m，采用全約束邊界?？紤]到整個結(jié)構(gòu)的復雜性，模型做了以下概化處理：承臺及索塔材料參數(shù)均按同質(zhì)材料選取，其中鋼筋的參數(shù)按體積等效原則彌散到混凝土中；將各個索力以集中力的形式施加在索塔的相應位置。

x，y，z軸設置與第2節(jié)一樣，整個模型采用四面體單元，共劃分32 144個單元，有限元模型如圖3。

圖3 群樁基礎及索塔網(wǎng)格及應力云圖

3.2 計算參數(shù)的選取

承臺和索塔都采用彈性模型，通過概化處理得到的參數(shù)如表2。

表2 參數(shù)統(tǒng)計表

3.3 警戒值的確定

由于蘇通大橋?qū)儆诔鲆?guī)范建設的超大型工程，且缺乏相應工程經(jīng)驗進行借鑒，在工程建設過程中，主要以工程安全儲備要求控制其沉降變形問題。為了能夠?qū)Τ笮腿簶痘A進行安全預測，考慮以差異沉降因子警戒值作為安全預測的控制指標之一。由于差異沉降對上部結(jié)構(gòu)的影響是通過高聳結(jié)構(gòu)基礎的傾斜進行控制。因此，旋轉(zhuǎn)索塔使其傾斜，當索塔混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)受拉狀況時，達到傾斜極限狀態(tài)，計算此時承臺的差異沉降，即可確定差異沉降的警戒值。具體做法是：首先確定索塔的旋轉(zhuǎn)方式(橫橋向或縱橋向)，再通過旋轉(zhuǎn)模型來調(diào)整承臺的傾斜角度，調(diào)整過程中角度由小變大，直到索塔混凝土表面出現(xiàn)拉應力為止(如圖3)，最后，利用此時的傾斜角計算承臺的相對沉降。

模擬結(jié)果顯示：當上部結(jié)構(gòu)混凝土受拉時，模型橫橋向和縱橋向?qū)膬A斜角分別為1.1°和0.35°，差異沉降分別為130和30.2 cm?？紤]結(jié)構(gòu)受力的復雜性和不確定性，取安全系數(shù)為2，得到差異沉降值分別為65和15 cm，《建筑地基基礎設計規(guī)范》規(guī)定：高聳結(jié)構(gòu)(200 m

4 結(jié)論

(1)探討超大型深水群樁基礎安全評判決策因子確定方法，選出兩個重要決策因子，即軸力分布不均勻性因子和差異沉降因子進行數(shù)值模擬計算。

(2)借助ABAQUS軟件，在分析索塔、承臺受力基礎上，確定出兩個重要決策因子的警戒值，解決了模糊推理融合算法中參數(shù)指標的確定問題，為超大型深水群樁基礎安全評價及預警提供了可靠依據(jù)。

(3)利用數(shù)值模擬方法確定決策因子警戒值過程中，還需綜合考慮結(jié)構(gòu)傳力特點、施工誤差、設計要求等因素，對計算結(jié)果進行修正。

(4) 從不均勻沉降警戒值的確定結(jié)果看，蘇通大橋索塔高度已經(jīng)超過了規(guī)范規(guī)定，因此，有必要采用數(shù)值模擬的計算方法確定超大型群樁基礎的安全評判因子的警戒值。

[1]任回興，歐陽效勇，賀茂生，等.蘇通大橋主塔深水基礎的設計與施工[J]．中國工程科學，2009，11(3)：38-43.

[2]唐勇，陳志堅.大型群樁基礎安全監(jiān)測傳感器選型優(yōu)化[J].西南交通大學學報，2011,46(2)：247-251.

[3]張寧寧，陳志堅，陳元俊，等.PSI和CRI聯(lián)合算法用于蘇通大橋基礎沉降監(jiān)測[J].巖土力學，2012，33(7)：2167-2173.

[4]陳勇剛.基于模糊數(shù)學的機務維修中人的可靠性綜合評價[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2011，37(2)：57-59.

[5]黨宏社，韓崇昭，王立琦，等.基于模糊推理原理的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法[J].儀器儀表學報，2004，25(4)：527-530.

[7]陳志堅，陳欣迪，唐勇，等．超大型深水群樁基礎的傳感器保護技術(shù)[J]．巖土力學，2012，33(11)：3509-3515.

Application of Numerical Simulation in Pile Group Foundation Evaluation Standard Determination

XUE Tao1LUO Tang2

(1.JinglingInstituteofTechnologyNanjing211169)

The determination of evaluation standard boundary in the group pile foundation stability is the key to ensure the correct construction of the model. Currently, the safety monitoring system can not measure the warning value. Therefore, in this paper, the numerical simulation method is adoped and according to the basis of upper structural mechanical characteristics and requirements, the warning value of security and stability discriminant factors for pile group foundation is determined. The simulation shows that the method can obtain the best warning value for super-large deep-water pile group foundation after finished-bridge, aimed at the heterogeneity of pile axial force and uneven settlement.

pile group foundation security evaluation numerical simulation warning value

金陵科技學院博士科研啟動基金(jit-b-201209)。

薛濤，女，1966年生，副教授，工學博士，主要從事巖土體及地基基礎安全監(jiān)測研究。

2016-02-15)