桩土相互作用模型分析及土弹簧的刚度确定

摘 要：以实际工程为背景论述了P-y曲线法和m-p-y曲线法及m法，分别对模型进行桩土作用分析比较二者之间对结构应力效应的不同影响。在实际工程中m法对于桩基计算是结合设计规范的一种计算方法，对工程计算有一定的参考价值。

关键词：桩板结构 桩土相互作用 计算法 Midas

中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）004-009-02

1 前言及工程概述

桩基对于建筑工程来说是常见的下部结构，任何形式的上部结构竖向受力的传递都少不了桩基。而如今许多大型的结构物下部基础中一般都采用桩基础形式，桩基通过桩周土层和桩端（或桩尖、桩底）的土层或岩层阻力将上部结构的荷载，通过较弱土层传递到较深部坚硬的、压缩性小的土层或岩层中去，其在竖向承受力上起到重要作用。在实际工程中如桥梁、港口等桩基工程领域中，水平力对桩基的作用也起到了非常重要的影响尤其是桩与土之间的相互作用往往决定了结构的下部是否安全。桩基础的分析中水平承载力及受力特性中的研究是十分关键的。由于水平静载试验受工期、费用、实验设备等条件限制，很难实现对实际工程中桩基与土真实的受力分析。现如今的工程分析中我们常用一些大型通用软件对桩土之间的相互作用进行仿真分析。

本工程为广州某项目――桩板结构，桩板结构跨越某一桩号处一座既有涵洞，其涵洞与线路斜交角为4m，采用板厚1m，跨径11.5m，宽10.5m，斜交角为28的斜板Ｉ樱直径桩长为20m的钻孔灌注桩。如图1所示。

图1 示例图

2 水平力作用分析

在水平力作用下桩会产生弯矩、水平位移、转角，在相互作用的原理下土会抵抗由于水平力对桩基产生的水平位移及力。由于土的相关特性，桩土之间的作用表现为复杂的非线性特性，在工程中不易使用通常的解析方法给予确切的表达，所以在工程计算中给设计工作带来不便。从以往的设计经验及实验中的实测数据可以归纳出：在桩基土计算中应根据基础中土质的特性来采用相应的计算方法，所以研究出一套便于设计的计算方法对于工程设计计算十分必要的。

有很多针对桩土相互作用的研究计算也相应的提出了一些方法，但是由于这些方法受到一些条件及其他的限制在工程界没有得到有效的推广。目前在工程界中计算桩土的计算方法常采用线弹性方法（公路桥涵地基与基础设计规范《JTG D63-2007 附录P 按m法计算弹性桩水平位移及作用效应》），在桩顶产生小位移时这种方法在工程中较为常用。

然而桩顶的位移较大时，非线性的反应表现的很明显这个时候“m”法将不适用做计算使用。此时将采用（复合地基反力法）P-y曲线法它一种非线性的分析方法，通过桩土之间相互作用力p与桩身的位移y以及桩的入土深度h之间的非线性方式来反映其相互作用的关系的。在我国有何光春通过模型的试验已研究粘土中横向受荷载下群桩的受力情况，并提出了在计算中排桩中的前桩计算可简化按单桩分析，后桩可采用前桩的P-y曲线乘以折减 系数得出。P-y曲线法在计算横向作用下的单桩非线性分析较优于m法，但是P-y曲线折减法所采用的经验公式依赖于少量的模型试验，通用性还有待考证。

3 水平力作用分析

本次计算采用空间板单位有限单元法，应用Midas2011程序建立桩板结构空间模型进行结构内力分析，如图2所示。

图2 模拟图

本模型中荷载类型如下：

3.1 永久作用

（1）结构自重：取钢筋砼容重20.0kN/m3进行计算

（2）二期恒载：考虑轨道结构荷载，按每延米26.47 kN/m3进行计算；考虑回填碎石与A填土，取容重22.0kN/m3进行计算

3.2 可变作用

列车荷载：按铁路桥涵设计基本规范4.3.1“中―活载”进行布载。

桩基共6根每根20m长，每个单元长度为1m。每个桩单元的节点处加入约束双向受压弹簧既土弹簧，弹簧的刚度计算根据实际地质资料结合下列几种计算方法分别得出：

（1）按“m”计算法。

其中：b1表示桩的计算宽度

其中：P（y，z）表示z深度处作用于桩上的水平土抗力标准值。

（3）m-P-y法计算。

由于模型计算中桩产生的位移在超出规范的允许范围≤6m之内，所以在小位移的情况下采取“m”的计算法。

4 刚度计算值及模型分析结果

“m”各节点对应的弹簧刚度K（KN/m）值为下：13754、27508、41263、55017、68772、82525、96281、110035、123789、137544、151298、165053、178807、192565、206316、220070、233825、247579、261334、275088、288843。经计算模型分析结果可知在（1）、（2）、（3）不同计算方法下K值对应与最大弯矩分别位于桩顶1.37m、1.53m、1.69m处。m法剪力计算值最大，所以本结构采用m法计算结果对其进行桩基配筋。

结合计算模型的结果根据公路桥涵地基与基础设计规范对桩进行圆形截面偏心受压及斜截面的抗剪计算配筋：桩基采用C30砼，纵向钢筋采用HRB335直径22mm，箍筋采用HPB235直径10mm，含筋率分别为2.05%、0.47%。

5 总结

（1）在桩基础中水平力对桩土设计计算起到至关重要作用，而选择不同的土弹簧刚度计算方法对结构本身的影响较大，因根据实际情况采用相应的计算方法才能保证结果的正确性。

（2）对于上部结构刚度较大时，不同的计算方法对上部结构产生的内力效应影响不太大。

参考文献：

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[2]杨克己，等.实用桩基工程[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3]王成，邓安福.水平荷载桩桩同作用全过程分析[J].岩土工程学报，2001，23（4）：476-480.