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岩土研究院

桩基倾斜率超限该如何计算?

313 2022-03-22 14:55:30

桩倾斜率达到2%,不符合《城市桥梁工程施工与质量验收规范》(CJJ2-2008)桩倾斜率限值1%要求。带来了以下疑问:

1)进行桩承载力计算时m值法是否适用?

2)如何计算斜桩更合理?

针对上述问题,对桩倾斜的受力特点和计算方法进行分析,采用桩土共同作用实体有限元模型,能较好反映桩倾斜,土体局部失效,桩侧土的性质、分布对桩的不利影响。

一、桩倾斜受力特点和计算方法

1.1 桩倾斜受力特点

桩的倾斜会改变桩的受力模式,桩周土压力从对称状态改为非对称状态,桩身从受压状态变成压弯状态(见图1.1-1所示)。

对于倾斜造成的桩偏位,由于倾斜引起桩身承受非对称土压力和桩顶竖向荷载偏心作用,对桩身受力产生不利影响,一般会使桩身弯矩增大(见图1.1-2所示)。桩身弯矩增大的程度和桩侧土的性质和分布、倾斜的程度以及荷载作用下桩基础的沉降量有关。由于本项目采用端承灌注桩,其竖向沉降量很小,因此,可忽略沉降对斜桩的影响。

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1.2 计算分析方法

(1)规范m值法(弹性方法)

为考虑桩倾斜对桩身弯矩增大的影响,采用有限元分析软件Midas Civil建立斜桩分析模型,假定桩周土水平刚度沿深度 z 线性增大,其值为 mb0z (式中m为土的水平抗力比例系数,b0为桩在土中的计算宽度),得到斜桩内力后,再根据《城市桥梁抗震设计规范》(CJJ166-2011)第7.3.2条对斜桩的承载力进行验算。

(2)桩土共同作用计算方法(弹塑性方法)

由于在大震作用下,土体在桩的挤压下,出现较大的水平位移,以及可能发生了明显的塑性变形,为较为准确计算倾斜的承载力情况,采用国际通用有限元分析软件ABAQUS考虑桩土的共同作用,参考《城市桥梁抗震设计规范》(CJJ166-2011)第7.3.2条“验算矮墩抗弯强度时,截面抗弯能力可采用材料强度标准值计算”,E2地震作用组合工况下的荷载采用标准值,材料均采用弹塑性本构关系。

二、计算案例简介

2.1 计算模型

桩倾斜率约为2%。ABAQUS模型的混凝土强度等级为C40、桩基截面尺寸为D1800,桩长约31m,其中土层宽度40m,长度65m,高度24.7m,钢筋采用HRB400。

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图2.1-2 三维计算模型


2.1.1 计算单元和参数取值

土体、桩和柱采用实体单元模拟,钢筋采用truss单元模拟。

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2.1.2 边界条件

桩与土体之间采用contact模拟,土体周边和底部约束X、Y、Z三个方向自由度。

2.1.3 材料本构

(1)钢材本构

钢材本构采用带强化段的弹塑性本构模型,钢材的强屈比为1.25,极限应力所对应的极限塑性应变为0.01,HRB400钢筋屈服强度400MPa。

(2)混凝土本构

混凝土材料模型采用弹塑性损伤模型,其轴心抗压和抗拉强度标准值按《钢筋混凝土设计规范》表4.1.3。

(3)土体本构

土体采用软件自带的摩尔库伦模型。

2.2 弹性计算结果对比

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图2.2-1 水平位移结果

倾斜引起设计内力和位移的变化基本在1%以内,说明采用规范计算方法时倾斜对桩基基本无影响。

2.3 弹塑性计算方法

2.3.1 位移结果

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图2.3-1 桩基水平位移结果

桩基2%的倾斜率对桩产生一定的附加内力,桩顶位移约增大14%。

2.3.2 应力结果

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图2.3-2 桩基混凝土受压应力结果

桩基2%的倾斜率使混凝土应力增大7.7%。

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图2.3-3 受力钢筋应力结果

桩基2%的倾斜率使钢筋应力约增大1%。

2.4 小结

(1)规范计算公式不能反映材料屈服后的桩承载力情况;

(2)在罕遇地震作用下,淤泥质粉细砂顶部已出现破坏,规范基于m值法计算并不能反映土体局部失效的不利影响。

(3)桩倾斜后产生的附加弯矩增大的程度与桩侧土的性质、分布、倾斜的程度以及荷载作用下桩基础的沉降量有关,规范弹性计算方法难以考虑斜桩附加弯矩的不利影响。

(4)采用桩土的共同作用实体有限元模型,能有效反映桩倾斜,土体局部失效,桩侧土的性质、分布对桩的影响,弥补了规范承载力计算方法的不足。