根键布置方式对根式基础竖向承载性能的影响_纪厚强.pdf

第 卷 第期 年月合 肥 工 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（）收稿日期：；修回日期：基金项 目：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目（）；深 圳 市 科 技 创 新 委 员 会 资 助 项 目（；）作者简介：纪厚强（），男，安徽金寨人，安徽省交通控股集团有限公司高级工程师；任伟新（），男，湖南长沙人，博士，深圳大学教授，博士生导师，通信作者，：；殷永高（），男，安徽枞阳人，合肥工业大学教授，博士生导师：根键布置方式对根式基础竖向承载性能的影响纪厚强，于炎成，任伟新，殷永高（安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 ；合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 ；深圳大学 滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室，广东 深圳 ）摘要：文章通过现场试验和数值分析探讨根键布置方式对根式基础承载性能的影响；建立池州长江公路大桥根式基础的数值计算模型，与现场堆载试验得到的荷载位移曲线进行对比，验证数值模型的正确性；通过分析桩顶荷载位移曲线、桩身轴力和桩侧摩阻力，探讨根键水平布置方式、根键布置位置和相邻根键层间距对根式基础竖向承载性能的影响。结果表明：相比于传统桩基础，根键梅花形布置和等角度布置时，桩的承载力分别提高 、，根键能够增大桩侧摩阻力和减小桩端阻力；根键梅花形布置能够减弱应力重叠，充分发挥根键承载潜力；根键布置在下部时，相对于布置在上部和中部，桩的承载力分别提高 、，同时根键布置在下部能够减小桩端阻力；根键层间距较小时，根键端部形成环形剪切面，此时根键无法发挥作用，随着层间距增大，根键间相互影响逐渐减弱，根键趋近于独立承载。关键词：根式基础；竖向承载性能；根键布置方式；现场试验；数值分析中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；随着大跨度桥梁的发展，传统的桩基础在承载能力、工程量及应用范围等方面的局限性逐渐显现。国内外研究者先后提出挤扩支盘桩、扩底桩、竹节桩等异形桩基础。在前人的研究基础上，文献 提出一种新型桩基础 根式基础，该基础根据仿生学原理，通过在传统桩基础侧壁设置根键，能够更好地调动周围土体参与承载，提高承载能力。有关根式基础的研究内容主要分为理论研究、试验研究及数值分析。文献 基于双曲线函数提出土根键的荷载传递模型，并推导建立一种多层土中根桩的非线性沉降简化计算方法，计算结果与现场试桩结果吻合良好；文献 通过自平衡法对个根式基础的承载性能进行测试，结果表明，相比于传统沉井基础，根式基础的竖向承载力提高 ；文献 对根式基础进行室内试验研究，结果表明，布置层根键和层根键的极限承载力分别比无根键提高 、。从以上研究成果可以看出，与普通沉井基础相比，根式基础承载能力大大提高。而根键作为提高承载力的关键因素，如何合理布置根键成为研究的重点之一。文献 采用数值分析的手段，研究根键角度对根式沉井基础水平承载性能的影响，结果表明，根键角度分布在 时，根式基础水平承载性能最佳；文献 通过数值分析研究根键分布深度对根式基础在水平荷载作用下承载性能的影响，结果显示，根键分布位置太浅或太深都不利于根式基础水平承载性能的发挥，合理的根键位置才能发挥出根式基础的最大水平承载能力。已有相关研究主要集中于根键布置方式对水平承载力的影响，关于根键布置方式对竖向承载能力的影响，详细系统的研究很少。本文首先对池州长江公路大桥现场试桩进行数值分析，通过对比荷载位移曲线来验证数值模型的可靠性，然后分析根键水平布置方式、根键布置位置及根键层间距对根式基础竖向承载性能的影响，以期为实际工程中根键的合理布置提供依据和参考。现场静载试验与数值分析验证现场试验概况现场根式基础堆载法试验位于池州长江公路大桥南岸引桥段，现场堆载试验图片如图所示。根据现场钻孔勘探试验和室内土工试验，岩土体物理力学性能参数取值见表所列。详细试验过程见荷载试验报告。图现场堆载试验图片表堆载现场岩土体物理力学性能参数取值岩土体名称厚度密度（）黏聚力 内摩擦角（）泊松比变形模量 体积模量 剪切模量 粉质黏土 淤泥质粉质黏土 粉细砂 中粗砂 卵石土 圆砾土 中风化泥质粉砂岩 试桩为外径 的钻孔灌注根式桩，桩顶标高为，桩长为，沿桩身从上至下布置 层根键，第层根键距离桩顶，每层根，相邻层根键中心间距为，呈梅花型布置，根键采用矩形断面，尺寸为 （根键顶入土中 ），试桩及根键示意图如第期纪厚强，等：根键布置方式对根式基础竖向承载性能的影响图所示（单位为）。根式基础的密度为 ，泊松比为 ，变形模量为 ，体积模量为 ，剪切模量为 。图试桩根键示意图数值分析数值模型的建立与边界条件数值分析采用 有限差分软件。根据相关研究 和圣维南原理，在距离桩轴（为桩的半径）处和桩底的土体中，桩传递至土体中的荷载所引起的土体剪应变可以忽略不计，计算土体尺寸取 。模型桩尺寸与现场试桩保持一致。对桩体和附近土体网格进行加密，共 个节点和 个单元，数值模型如图所示（单位为）。图试桩数值模型示意图根据实际情况，固定模型四周和底面法向位移，土体表面设置为自由面，允许沉降产生。本构模型选取与初始地应力混凝土强度远远大于土体强度，试桩达到破坏往往是土体破坏引起的，故数值分析将土体假设为理想弹塑性，采用 模型；桩身与根键假设为弹性，采用 模型。初始地应力场通过步获得，首先将模型全部设置为土体的相关参数和本构模型，平衡后将桩体和根键赋值为混凝土的材料参数和本构模型，求解获得施工完成后的地应力场。计算参数选取岩土体参数由现场勘探和室内土工试验测得，表中给出了参数具体取值，其中岩土体的体积模量和剪切模量由变形模量计算得到，计算公式为：（）（）（）（）其中：为剪切模量；为体积模量；为变形模量；为泊松比。桩土之间的摩擦性质通过在桩体之间设置的接触面来实现。在桩底与土、桩侧与土及根键与土之间设置种独立的接触面，这种建立方式更接近于桩的实际受力。接触面参数取值见表所列。黏聚力和内摩擦角取相邻土层的.倍，法向刚度和切向刚度计算公式 为：（）（）其中，为周边单元体法向最小宽度。表接触面参数取值土层名称厚度法向刚度 切向刚度 内摩擦角（）黏聚力 粉质黏土 淤泥质粉质黏土 粉细砂 中粗砂 卵石土 结果对比按照堆载实际工况在模型桩顶施加均布荷载，监测桩顶竖向位移，待沉降稳定基本维持不变后再施加下一级荷载。现场堆载和数值分析得到的桩顶竖向荷载位移曲线对比如图所示。从图可以看出：现场试桩荷载为 时竖向沉降为 ，试桩具有足够的承载力；条曲线变化趋势基本一致，表明采用的数值分析方法合肥工业大学学报（自然科学版）第 卷是合理和可靠的，可以用来分析根键布置方式对根式基础竖向承载性能的影响。图桩顶荷载位移曲线试验与数值分析对比根键布置方案设计在根式基础的设计过程中，需要考虑很多因素，如何布置根键使其竖向承载性能得到充分发挥是重点和难点。本文主要探讨根键水平布置方式、根键布置位置和根键层间距对根式基础竖向承载性能的影响。数值分析中基础尺寸基本参数如下：基础桩身长度（桩顶标高为，桩底标高为），桩身直径，根键外露桩体部分长度为，根键截面形状为正方形，边长，根键层数，每层根键数。根键布置方案如图所示。图根键布置方案（）根键水平布置方式设为 （非梅花型）、（梅花型）种，最底层根键距桩底，根键层间距为。（）根键布置位置设为 （根键在下部）、（根键在中部）、（根键在上部）种，根键层间距为。（）根 键 层 间 距 设 为 （）、（）、（）种，最底层根键距桩底。同时设置 无根键基础进行对比分析。为避免土层过多，无法准确分析根键布置方式对竖向承载性能的影响，分析中采用控制变量法对土层进行简化，采用长江流域分布最广的粉砂来探讨根键水平布置方式、根键布置位置和根键层间距对承载性能的影响，粉砂物理力学性能参数取值见表所列。表粉砂物理力学性能参数取值参数密度（）黏聚力 内摩擦角（）泊松比变形模量 取值 计算结果与分析根键水平布置方式的影响为了研究根键的作用和根键水平布置方式对根式基础竖向承载性能的影响，分别对 、和 种方案进行计算分析，三者的荷载位移曲线对比如图所示。图根键不同水平布置方式下桩顶荷载位移曲线对比从图可以看出，种方案的荷载位移曲线均为缓变型，未出现明显拐点。当竖向荷载较小时，三者的荷载位移曲线基本重合。当荷载超过 时，根式基础由于根键的存在，在相同竖向荷载作用下，竖向位移明显小于无根键桩基础。对应于基础顶部竖向位移为 时，承载力为 ，、承载力分别为 、，相 比 于 分 别 提 高 、。由此可以看出，由于根键的存在，根式基础竖向承载力显著提高；相比于根键等角度非梅花型水平布置，相邻层根键呈 梅花型布置有助于根式基础竖向承载力的提高，且随着竖向荷载的增大，这种提高的效果愈加明显。第期纪厚强，等：根键布置方式对根式基础竖向承载性能的影响桩顶位移 时、的根键最大主应力云图如图所示。从图可以看出：非梅花型布置时只有最底层根键与桩身连接处应力较大，从而分担了较大的荷载，而上面几层根键由于重叠作用无法发挥其承载潜力；梅花型布置时，根键与桩身连接处应力均较大，根键下土体中应力重叠范围较小，使得根键能够充分与土相互作用，承担上部传下的荷载。图桩顶位移 时、根键最大主应力云图根键布置位置的影响由节分析可知，相邻层根键呈 梅花型布置与等角度布置相比，有利于竖向承载力的提高，故在以后的模型中根键均采用梅花型布置。为了研究根键布置位置对根式基础竖向承载性能的影响，在节模拟的基础上，对、种方案进行计算，并与 进行对比分析。桩顶荷载位移曲线根键不同布置位置下桩顶荷载位移曲线对比如图所示。从图可以看出，、和 的曲线均为缓变型，竖向承载力较 均有显著提高。对应于基础顶 部 竖 向 位 移 为 ，的 承 载 力 为 ；、和 的 承 载 力 分 别 为 、，相比于 分别提高 、，相对、分别提高 、。由此可见，的竖向承载力最大，即根键布置在桩身下部位置时，竖向承载力最大，这是由于随着深度加大，土体承载能力和抗剪强度提高，根键发挥作用愈加明显。图根键不同布置位置下桩顶荷载位移曲线对比桩身轴力种根键布置位置下桩身轴力变化曲线如图所示。图种根键布置位置下桩身轴力变化曲线从图可以看出，随着荷载增大，桩身轴力逐渐增大，根式基础桩身轴力传递情况与根键的分布位置有关，轴力传递曲线在根键分布区域发生急剧变化，曲线斜率明显变化，轴力降低速率显著增加，其损耗部分的轴力由根键承担，并由根键传递到周围土体中，从而使得根式基础的端阻力明显降低，桩顶荷载越大，根键作用效果越明显，且随着根键布置深度增加，相同荷载下桩端阻力变小，这是根式基础的承载特性，也是根式基础提高承载力的原因所在。桩侧摩阻力桩侧摩阻力将竖向荷载以剪应力的形式传递合肥工业大学学报（自然科学版）第 卷给周围土体。桩侧摩阻力分布情况可以通过桩身轴力传递曲线得到。以每 作为段计算各桩段的桩侧摩阻力，计算公式为：（）（）其中：为第段桩侧摩阻力（含根键段桩身按传统桩基础计算）；为某桩段上、下截面的轴力差值；为桩截面周长；为每段桩长。种根键布置位置下根式基础的桩侧摩阻力分布如图 所示。需要注意的是，对于根式基础，其根键分布区的侧摩阻力是从广义上而言的，即包括桩身侧摩阻力、根键的侧摩阻力及根键的端阻力。从图 可以看出，由于根键的作用，根式基础在根键分布区域的桩侧摩阻力显著增加，最大可达 ，此时根键承担较大的竖向荷载，布置根键段桩身轴力下降较快。根键布置在下部时摩阻力发挥最充分，由于下部土体压实度较高，土体力学性能更好，根键的承载效果更好，对桩侧摩阻力的提高更加显著，从而使得根式基础整体的承载性能得到提高。在竖向荷载较小时，根键尚未完全发挥作用，根键分布区域的桩侧摩阻力增加不明显，随着竖向荷载增加，根键的作用逐渐得到发挥，根键分布区域桩侧摩阻力的增加更加显著。图 种根键布置位置下桩侧摩阻力变化曲线根键层间距的影响根据前述分析，在根键层间距不变的情况下，根键以梅花型布置方式布置在桩身下部时，根式基础的竖向承载力最大。为了进一步研究根键层间距对根式基础竖向承载性能的影响，对 与 种方案进行计算，并与、进行对比分析。桩顶荷载位移曲线与桩身轴力不同根键层间 距下 荷