交通荷载下素混凝土桩复合地基受力与变形特性研究
时间：2023-01-23 16:25:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
林彬彬，上官东来，冯英骏
（1、珠海市规划设计研究院 广东珠海 519000；
2、珠海航空城工程建设有限公司 广东珠海 519000）
珠海作为海滨城市，滨海相沉积软土广泛分布，约占珠海陆地总面积的50%～60%，地基土呈现出低承载力、大沉降量、沉降稳定所需时间长等特点［1-2］。位于滨海吹填土地区的道路工程，其力学性质较为特殊，采用素混凝土桩对地基进行加固是一种常用的做法［3-5］。复合地基受到车辆循环反复荷载作用，近年来对动载作用下复合地基进行了一定程度的研究，如刘杰等人［6］通过室内模型试验，研究了循环应力比和循环次数对圆柱形桩和楔形桩两种群桩复合地基的桩-土应力比、永久沉降的作用规律以及桩土应力比随加载次数的规律；
李西斌等人［7］采用有限元方法研究在高速列车荷载作用下桩承式加筋路堤的应力变化规律，分析了路堤各部分的应力和沉降以及最大侧向位移随各参数的变化规律；
张玲等人［8］通过循环荷载作用下筋箍碎石桩单桩复合地基室内模型试验探讨了地基加固形式、土工格栅套筒拉伸强度和砂垫层厚度对复合地基动力响应的影响；
邱高林等人［9］通过三轴仪对纯黏土以及水泥土复合土样的动弹模量与阻尼比变化规律进行了研究，探讨了应变水平、围压、水泥掺入比等因素对水泥土动力特性的影响。但是对交通荷载下软土地区刚性桩复合地基的研究较少，本文以交通荷载作用下滨海吹填区素混凝土桩复合地基为研究对象，以数值模拟的方法，研究交通荷载作用下素混凝土桩复合地基受力特征、变形沉降特征。
为了模拟交通荷载对素混凝土桩复合地基力学行为的影响，选取珠海某市政配套工程复合地基作为研究对象，如图1所示，取图1中圆圈框住位置为数值模型对应范围。在该区域采用素混凝土桩复合地基进行软基处理，淤泥很厚区域的素混凝土桩为悬浮桩。素混凝土桩设计桩长25 m，淤泥和淤泥质土平均厚度超过40 m，桩体未贯穿。
图1 复合地基平面Fig.1 Floor Plan of a Composite Foundation
2.1 模型尺寸及参数的选取
在有限元软件建模中，取道路复合地基横断面方向为X轴，纵断面方向为Y轴，铅直方向为Z轴。根据工程总平面图和工程地质勘测报告，并考虑交通荷载作用导致的应力重分布影响范围，拟定模型总体尺寸为：0 m≤X≤60 m；
0 m≤Y≤2.2 m；
-54 m≤Z≤3.05 m。素混凝土桩间距为1.6 m，桩径为0.4 m，平面布置方式为梅花式，桩长为25.0 m，X方向上设置13 排桩，Y方向上设置2 排桩。地层结构从上至下依次为2.2 m 的吹填土，18.0 m 的淤泥和36.0 m 的淤泥质土。划分的路基网格模型如图2所示。
图2 三维模型轴测Fig.2 Axonometric of the 3D Model
根据土层条件及工程周围环境，定义边界条件：模型四周固定水平位移，底部刚性约束，上部自由边界，模型四周及底面均设置为不透水边界。土体采用摩尔库伦本构，地层与支护结构参数表如表1所示。
表1 地层与支护结构参数表Tab.1 Parameters of Stratum and Support Structure
2.2 模拟过程
⑴先给土体施加初始重力，直到达到土体自身的地应力平衡。
⑵在路基表面施加大小为P的交通荷载，借助有限元软件内部编程语言，编辑交通荷载加载命令。交通荷载是由两个部分组成：①汽车自身振动引起的荷载；
②公路路面不平整导致车辆上下颠簸引起的荷载。邓学钧［10］认为汽车交通荷载具有两个特征：①荷载位置随时间改变；
②荷载大小随时间改变。在有限元软件中采用正弦波波形来模拟交通荷载的波形。
3.1 模型验证
为了验证数值模型的有效性，将现场交通荷载试验的工况进行类似简化处理后，施加到数值模型上，并将模拟数据与现场试验数据相对比。现场试验车型采用三轴渣土车，车辆载重为27.4 t，行驶速度为20 km/h，行驶次数为10次。在数值模型上施加的车辆荷载为2个，车辆载重对应的接地压力为0.25 MPa，行驶速度对应的荷载频率为3 Hz，循环作用此时为10 次。通过提前埋设的土压力计进行动态采集，其桩-土应力峰值分布如图3所示。
图3 桩-土应力分布曲线Fig.3 Pile Soil Stress Distribution Curve
在车辆荷载作用下，轮下桩顶处应力显著增大，轮下桩间土处应力变化较小，与交通荷载试验结果规律相同。上述结果验证了素混凝土桩复合地基数值模型的准确性，可进一步开展后续的交通荷载工况研究。
3.2 桩体受力与位移分析
运营阶段模拟车辆荷载按双向4 车道布置，同时布置4 个车辆荷载，单个车辆荷载接地面积为4 个0.22 m×0.25 m 的矩形。交通荷载频率为10 Hz，荷载幅值取为1 MPa。监测交通荷载作用过程中桩的轴力、竖向位移和水平位移，采用隔排监控，素混凝土桩编号如图3所示，研究交通荷载对素混凝土桩的影响。循环加载后桩身轴力、水平位移、竖向位移随桩身深度分布曲线分别如图4～图6所示。
图4 交通荷载作用位置Fig.4 Position of Traffic Load Action
图6 桩体水平位移随桩身深度分布曲线Fig.6 Distribution Curve of Pile Horizontal Displacement with Pile Depth
由图5可知，1#桩轴力随桩身深度增加而增加，20 m处达到最大值110.7 kN，随后开始降低；
2#桩与7#桩类似，桩体中间部位轴力较大；
位于中间的3#、4#、5#、6#桩轴力分布情况类似，轴力增长到5 m位置后开始减低，最大轴力为4#桩的239.0 kN。中间位置的桩轴力较大，这与承受荷载的情况相对应。
图5 桩身轴力随桩身深度分布曲线Fig.5 Pile Body Axis Force Distribution Curve with Pile Depth
由图6 可知，水平位移随桩身深度的增大而急剧减小，各桩在5 m 深度的水平位移都接近0，这说明交通荷载对桩水平位移的影响范围在5 m 深度左右；
由图7可知，越靠近内侧的桩的竖向沉降越大，且4#～7#桩的竖向沉降较为接近，说明交通荷载对桩竖向位移的影响集中在中间位置。
图7 桩体竖向位移随桩身深度分布曲线Fig.7 Vertical Displacement of Pile Body with Pile Depth Distribution Curve
⑴最外围和中间的素混凝土桩轴力随桩身深度增加而增加，20 m 深度处达到最大，随后开始降低；
两者中间的桩承受交通荷载比例较大，轴力最大位置在5 m深度。各桩中部所受轴力较大。
⑵水平位移随桩身深度的增大而急剧减小，各桩在5 m 深度的水平位移都接近0，交通荷载对桩水平位移的影响范围在5 m深度左右。
⑶交通荷载对桩竖向位移的影响集中在中间位置，越靠近内侧的桩的竖向沉降越大。
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