梁倩, 等 : 扭转荷载下群桩基础的承载机理及特性研究 135 由于转角很小, 因此认为各桩基的水平位移近似等于桩基的路径长, 其中 d i 为转心到 i 桩轴心的距离,G Hi,G Ti 分别为桩基 i 的水平刚度和扭转刚度, 因此桩基 i 的转角 ψ i, 水平位移 S i, 承受的水平力 H

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1 134 路基工程 SubgradeEngineering 2015 年第 4 期 ( 总第 181 期 ) DOI: /j.isn 扭转荷载下群桩基础的承载机理及特性研究梁倩 1, 苏航州 1, 姬小祥 2 3, 邹未 (1. 长安大学公路学院, 西安 ;2. 河南交院公路工程技术有限公司, 郑州 ; 3. 苏州中金江海建设有限公司, 江苏苏州 ) 摘要 : 在前人研究的基础上, 结合某大桥的转体工程实际, 采用理论分析和数值模拟技术相结合的手段, 对群桩基础的受扭承载特性荷载传递机理展开研究, 探讨扭转荷载对于中心桩边桩角桩承载特性的影响, 分析得到各桩基扭矩的变化规律扭矩沿桩身传递规律转角沿桩身传递规律扭矩与转角的变化规律, 并进一步验证了前人的研究成果关键词 : 转体桥 ; 扭转荷载 ; 群桩基础 ; 承载特性 ; 理论分析 ; 数值模拟中图分类号 :TU 文献标志码 :A 文章编号 : (2015) 引言转体桥工艺是科技进步的产物, 该工艺的出现不仅扩大了桥梁建设的范围, 而且创造了一种新的建桥思路 [1] 1977 年, 我国建成了第一座 70m 跨径的试验转体桥, 在此之后转体工艺逐渐在全国范围内推广应用 1999 年, 为了避免桥梁施工对珠江通航的影响, 通过结合平转与竖转的施工工艺, 顺利完成了主跨跨径为 340m, 转体重达 13640t 的钢管混凝土中承式系杆拱桥的转体工作随着转体技术的发展, 人们越来越认识到转体技术的巨大优越性, 从下穿河流到横跨江河, 从山区到平原, 从铁路到高速公路, 转体工艺被全方位的应用 [1-3] 目前国内学者大多着眼于对转体施工工艺和单桩受扭问题的研究上, 仅见 Kong 和 Zhang 曾通过离心机试验对受扭群桩进行了试验研究 [4,5] 鲜有关于转体工艺对桥梁群桩基础承载特性及受力影响的相关文献报道为此本文在前人相关研究成果的基础上 [6-8], 结合某大桥的转体工程实际, 采用理论分析和数值模拟技术相结合的手段, 对扭转荷载作用下桥梁群桩基础的承载特性及荷载传递机理开展研究, 以期为桥梁转体及类似工程设计与施工提供参考成熟, 因此, 群桩受扭特性在一定程度可参考单桩 [4,5] 1 1 群桩基础荷载分配方式现行规范对群桩承台设计要求满足足够的刚度, 即可认为在扭转荷载的作用下, 群桩承台将带动群桩绕着承台某一点发生转动现以刚度对称的 3 3 群桩为例, 在扭转荷载作用下, 其承台将围绕中心桩的中心发生旋转, 中心桩主要承受扭矩荷载, 边桩和角桩承受扭矩荷载的同时, 还承受由于水平位移带来的土体水平反力作用, 见图 1 图 1 受扭群桩的各桩基内力分配简图假定此时该承台承受扭转荷载 T, 承台绕轴心发生转角 ψ 的同时, 也会带动承台下的桩基产生转角 ψ i, 水平位移 S i, 见图 2 1 扭转荷载作用下群桩基础的工作性状目前, 虽然鲜有关于群桩基础受扭特性的研究, 但是关于扭转荷载作用下单桩承载机理的研究已较收稿日期 : 作者简介 : 梁倩 (1989-), 女, 湖北荆州人硕士研究生, 研究方向 : 公路与岩土工程 E mail: @qq com 图 2 刚度对称的群桩基础扭转变形

2 梁倩, 等 : 扭转荷载下群桩基础的承载机理及特性研究 135 由于转角很小, 因此认为各桩基的水平位移近似等于桩基的路径长, 其中 d i 为转心到 i 桩轴心的距离,G Hi,G Ti 分别为桩基 i 的水平刚度和扭转刚度, 因此桩基 i 的转角 ψ i, 水平位移 S i, 承受的水平力 H i 和扭矩 T i 可分别表示为 ψ i =ψ (1) S i =ψ i d i =ψ d i (2) H i =G Hi ψ i d i =G Hi ψ d i (3) T i =G Ti ψ i =G Ti ψ (4 ) 1 2 影响群桩基础受扭承载特性的因素在扭转荷载作用下, 对单桩而言, 其受力表现为竖向受荷和水平受荷的综合响应群桩在受扭过程中与其水平受荷响应相似, 即在受荷初期, 桩身刚度和土体刚度主要控制桩身位移但是, 受扭群桩各桩基的受荷极为复杂, 除受桩体属性及地质环境影响外, 还与邻桩有相互作用, 桩体还受到扭矩和水平力的综合作用 [7] 群桩效应的影响以刚度对称的 3 3 群桩为例, 在扭转荷载作用下, 角桩和边桩的运动方向成一个环形研究发现, 当群桩桩间距小于某一值时, 各桩基之间因影响范围存在重叠会产生群桩效应, 见图 3 Kong 等人曾通过离心机试验对群桩受扭特性进行了研究, 研究结果也认为群桩受扭存在阴影效应, 中心桩附近土体不产生剪切区域, 其余桩基的桩周土体剪切区域沿扭转中心呈现反对称分布, 角桩和边桩的桩周土体剪切区域重叠严重图 3 群桩受扭阴影效应 [4,8] 桩间距的影响 Randolph 曾采用弹性理论对单桩受扭时, 桩周土受剪进行了研究研究表明, 桩周土剪应力与距桩中心距离存在关系为 τ γθ =γ 2 0τ 0 /γ 2 (5) 式中 :γ 0,γ 分别为桩基半径和计算点距转周的距离 ;τ γθ,τ 0 分别为桩周土计算点和桩周的剪应力由式 (5) 可知, 桩周土的剪应力是非线性发展的, 当 γ 0 =3γ 时,τ γθ =9τ 0, 即此时该桩周土计算点处的剪应力为桩周处的 11%, 由此类推, 当 γ 0 = 10γ 时, 桩周土处的剪应力可忽略不计, 即群桩受扭时, 出于简化考虑, 可忽略扭矩对此范围群桩桩基的影响 [9,10] 成层地基的影响 [9] 邹新军等基于桩侧土理想弹塑性模型, 探讨了成层地基中受扭桩基分别处于弹性和塑性状态的承载特性, 并对比分析了桩基在单层和双层地基中的受扭性能研究表明 : 单层地基情况下, 长径比的大小对桩基的弹性影响因子影响不大双层地基的两层土体的剪切模量比和其层间厚度对桩身抗扭性能有较大的影响桩土模量比的影响 [11] 金晓彬等曾通过数值模拟对不同桩土模量比下的扭矩, 沿桩身深度方向分布的影响进行了对比分析研究结果表明随着桩土模量增大, 同一深度处的桩身所承担的扭矩也增大 ; 当保持土体模量不变, 只增加桩身模量时, 浅层土体对桩身承担的扭转荷载的影响将会被弱化长径比的影响 [11] [12] 金晓彬等和梁力等的研究表明 : 无论是长桩还是短桩, 在桩身浅部扭矩都呈近似线性变化, 在桩身深部扭矩呈曲线变化, 桩身浅部承担了大部分的扭矩 ; 当桩径固定时, 随着长径比增大, 传递到桩身深部的扭矩也越小, 桩身分配的扭矩越小 ; 当桩长固定时, 随着长径比增大, 同一深度处桩身承担的扭矩减小, 即桩径越大, 扭矩越能往桩身深处进行传递 [4,5,13] 1 3 水平刚度及扭转刚度的确定水平刚度的确定结合上面的研究成果可知 : 在扭转荷载的作用下, 群桩基础也受到水平荷载的作用, 因此可参照传统水平受荷单桩的计算方法, 通过引入 P-Y 曲线法来确定群桩的水平刚度, 并采用 P 乘子系数对该曲线进行折减但由于水平受荷群桩比水平受荷单桩受力复杂, 而受扭群桩相比水平受荷群桩的受力复杂得多, 因此可借鉴前人的研究成果来对确定 P 乘子系数取值扭转刚度的确定根据已有的研究成果可知 : 单桩的扭矩刚度和土的剪切刚度有密切的关系单桩在达到极限剪切力之前, 其承受的桩头扭矩与桩头转角呈线性关系, 当达到极限剪切力时, 桩头扭矩不再随着桩头转角的增加而增大, 此时单桩发生了扭转破坏而群桩

路基工程１３６１５年第４期总第１１期Ｓｕｂｇｒａｄｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ达到扭转极限意味着扭转荷载不再以桩头扭矩的及承台均视为线弹性体在线弹性分析中是不考虑形式传递到基桩但在计算受扭群桩的各桩基的扭材料破坏的

１基于上文的分析结果出于简化分析过程的考虑此时取边桩距中心桩为３ＤＤ为桩径则实体工程中的群桩基础可简化成刚度对称的３３群桩通过对桩基结构受力的分析并在计算机上进行了表１有限元分析模型材料参数材料名称弹性模量泊松比内摩擦角容重Ｅ

在计算中模型土体长宽方向从承台边缘起向外均延伸Ｄ深度方向从桩端向下延伸５ＬＬ为桩长１４１５受扭群桩示意及荷载施加见图４图５尺寸砂土１１７桩周土３５３扭转荷载作用下群桩基础的承载特性分析现有研究大多把群桩作为一个整体来对其扭转

群桩荷载施加计算模型近似为半空间无限体对于计算模型的边界条件将模型边界底部及侧面ＸＹＺ方向图６受扭群桩整体位移云图的位移固定计算模型基本假定本次群桩基础的计算模型基本假定 ①承台假设为刚性桩体与承台的刚度保持一致 ②视桩为弹性梁 ③ 土体

3 路基工程１３６１５年第４期总第１１期Ｓｕｂｇｒａｄｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ达到扭转极限意味着扭转荷载不再以桩头扭矩的及承台均视为线弹性体在线弹性分析中是不考虑形式传递到基桩但在计算受扭群桩的各桩基的扭材料破坏的可以把应力与应变的关系简化成直线转刚度时依然可以参考土的剪切刚度即表现形式是基于虎克定理的线弹性方程４模型参数的选取有限元计算模型的建立与参数的选取１有限元计算模型的建立群桩基础示意见图４桩体与承台刚度保持一致承桩周土为砂土模型材料参数见表１基于上文的分析结果出于简化分析过程的考虑此时取边桩距中心桩为３ＤＤ为桩径则实体工程中的群桩基础可简化成刚度对称的３３群桩通过对桩基结构受力的分析并在计算机上进行了表１有限元分析模型材料参数材料名称弹性模量泊松比内摩擦角容重ＥＰａｃｋ μ Ｎｍ３承台３１１５长宽高为１４ｍ１４ｍ１５ｍ桩３１１５桩径Ｄ１ｍ埋入土内的桩长Ｌｍ１９层厚３５ｍ大量的试算在满足数值模拟计算对计算资源需求的同时为满足边界的要求在计算中模型土体长宽方向从承台边缘起向外均延伸Ｄ深度方向从桩端向下延伸５ＬＬ为桩长１４１５受扭群桩示意及荷载施加见图４图５尺寸砂土１１７桩周土３５３扭转荷载作用下群桩基础的承载特性分析现有研究大多把群桩作为一个整体来对其扭转特性进行分析本文着重讨论其承台及各桩基的扭转特性其中扭矩Ｔ的效果通过在承台上施加一对力偶来模拟扭转荷载Ｔ分１级加载每级加载６ｋＮｍ图４受扭群桩示意单位ｍ受扭群桩及各桩基的位移云图见图６图７图５群桩荷载施加计算模型近似为半空间无限体对于计算模型的边界条件将模型边界底部及侧面ＸＹＺ方向图６受扭群桩整体位移云图的位移固定计算模型基本假定本次群桩基础的计算模型基本假定 ①承台假设为刚性桩体与承台的刚度保持一致 ②视桩为弹性梁 ③ 土体对桩的作用以非弹性弹簧模型代替３本构模型的选取１土体的本构模型在对扭转荷载作用下群桩基础的承载特性进行分析的过程中均认为土体ｈｒＣｏｕｌｏｍｂ模型来描述为均质连续体故选择Ｍｏ土体的本构关系桩体及承台的本构模型在分析中将桩体图７受扭桩基位移云图

4 梁倩, 等 : 扭转荷载下群桩基础的承载机理及特性研究群桩扭矩变化规律分析在扭转荷载作用下, 群桩承台将带动刚度对称的群桩, 绕着承台中心点发生转动此时承台中心桩角桩及边桩的 T- 曲线变化, 见图 8, 其中转角变化梯度 k=( i+1 - i )/(T i+1 -T i ), 见图 9 桩桩头处的两倍, 这也验证了群桩在扭转荷载作用下, 中心桩主要承受扭力作用 ; 扭矩随着桩身深度的增加逐渐递减, 桩身浅部承受的扭矩比例较大 3 3 转角沿桩体深度传递规律分析在 24000kN m 的扭转荷载作用下, 群桩各桩基转角沿桩深传递曲线, 见图 11 图 8 群桩受扭的 T- 曲线变化曲线图 11 群桩的转角沿桩身深度传递曲线图 9 群桩受扭的转角变化梯度曲线从图 8 图 9 可以看出 : 群桩基础的转角随着扭转荷载的增加而递增, 且增幅逐渐变大 ; 承台中心桩角桩和边桩的 T- 变化规律基本保持一致, 在相同扭转荷载作用下, 承台转角较其他位置桩基的转角要大由图 9 可知 : 随着扭转荷载的增大, 转角变化梯度曲线出现了较为明显的拐点, 参照桩基水平极限承载力的确定方法 [15], 当梯度曲线出现明显拐点时, 即可取该点对应的扭矩为承台及桩基的极限扭矩 T, 此时可近似取群桩的极限扭矩 T= 30000kN m 3 2 扭矩沿桩身传递规律分析在 24000kN m 的扭转荷载作用下, 群桩各桩基扭矩沿桩深传递曲线, 见图 10 从图 11 可知 : 中心桩角桩和边桩的转角沿桩身传递规律相似, 发展趋势都是随着桩身深度的增加, 转角逐渐减小, 且趋势逐渐变缓 ; 当位于相同桩体深度时, 各类桩基产生的转角有所差异, 中心桩转角最大, 角桩转角最小 3 4 扭矩与转角变化规律分析类似于 P-Y 曲线, 当距地面以下 4m 处的桩基为例分析群桩受扭时, 各桩基扭矩与转角变化曲线, 见图 12 图 12 群桩扭矩与转角变化曲线由图 12 可知 : 在地面以下同一深度处, 桩顶扭转荷载相同时, 中心桩承受的扭矩最大, 边桩其次, 角桩最小 ; 随着扭转荷载的增大, 转角 - 扭矩曲线趋于平缓, 说明桩基逐渐进入了塑性状态, 从图中可以看出, 角桩进入塑性状态最快, 说明群桩在扭转荷载逐渐增大过程中, 角桩将最先破坏图 10 群桩的扭矩沿桩身深度传递曲线由图 10 可知 : 中心桩桩头承受的扭矩近似为角 4 结论本文在前人研究成果的基础上, 以某转体桥为研究背景, 对扭转荷载下的群桩各桩基受荷机理及承载特性进行了分析, 探讨了影响中心桩边桩角桩扭转特性的因素, 得出以下几点结论 : (1) 群桩基础的水平刚度参照单桩水平荷载的

5 138 路基工程 SubgradeEngineering 2015 年第 4 期 ( 总第 181 期 ) 计算方法, 引入 P-Y 曲线并采有 P 乘子系数对该曲线进行折减来确定 ; 扭转刚度则参考土的剪切刚度确定 (2) 影响群桩受扭承载特性的因素为 : 群桩效应桩间距成层地基桩土模量比和桩身长径比 (3) 通过分析, 获得各桩基的扭矩变化规律扭矩沿桩身传递规律转角沿桩身传递规律扭矩与转角的变化规律 ; 群桩受扭时, 可通过转角变化梯度 k=( i+1 - i )/(T i+1 -T i ) 来确定各桩基的极限扭矩荷载 ; 在一定范围内, 中心桩边桩及角桩的极限扭矩近似相等 (4) 验证了群桩受扭时, 其中心桩主要承受扭矩荷载, 中心桩桩头扭矩近似为角桩的两倍, 而角桩将最先进入塑性状态, 因此在设计中应予以重视参考文献 (References): [1] 程飞, 张琪峰, 王景全. 我国桥梁转体施工技术的发展现状与前景 [J]. 铁道标准设计,2011(6): [2] 陈宝春, 孙潮, 陈友杰. 桥梁转体施工方法在我国的应用与发展 [J]. 公路交通科技,2001,18(2): ChenBC,SunC,ChenYJ.Applicationanddevelopmentofswingmethod ofbridgeconstructioninchina[j].journalofhighwayandtransportation ResearchandDevelopment,2001,18(2): [3] 罗鹏. 秦皇岛城市西部快速路跨京哈铁路桥梁转体施工技术 [D]. 成都 : 西南交通大学,2011. [4] 贺炜, 陈仁朋, 孔令刚, 等. 群桩受扭工作性状及非线性计算理论研究 [J]. 岩土工程学报,2010,32(5): HeW,ChenR P,KongLG, etal. Bearingbehaviorsandnonlinear theoryofpile groups subjected to torque [J]. Chinese Journalof GeotechnicalEngineering,2010,32(5): [5] 何兰宽. 扭转荷载下群桩基础承载机理及设计理论研究 [D]. 长沙 : 长沙理工大学,2012. [6] 姜丽红. 不同桩头约束及水平偏心荷载下桩基础响应分析 [D]. 杭州 : 浙江大学,2012. [7] 孔令刚, 张利民. 群桩扭转非线性模型 [J]. 岩土力学,2009,30 (8): KongLG,ZhangLM.Nonlinearanalysisofpilegroupssubjectedtotorsion [J].RockandSoilMechanics,2009,30(8): [8] 陈仁朋, 郑中, 孔令刚, 等. 水平及扭转荷载作用下群桩基础受力分析方法 [J]. 岩土工程学报,2013,35(8): ChenRP,ZhengZ,KongLG,etal.Analysismethodforpilegroups subjectedtolateralandtorsionalloads[j].chinesejournalofgeotechnical Engineering,2013,35(8): [9] 邹新军, 徐洞斌, 王亚雄. 成层地基中单桩受扭弹塑性分析 [J]. 湖南大学学报 : 自然科学版,2014,41(9): ZouXJ,XuDB,WangYX.Elastic-plasticAnalysisofTorsionalSingle PileinLayeredSubsoil[J].JournalofHunanUniversity:NaturalScience, 2014,41(9): [10] 刘苏. 成层地基中基桩沉降计算的非线性分析 [D]. 长沙 : 湖南大学,2013. [11] 金晓彬, 张智卿, 袁苏君. 扭转荷载作用下弹性桩与土的相互作用研究 [J]. 浙江树人大学学报 : 自然科学版,2009(4): JinXB,ZhangZQ,YuanSJ.Ontheinteractionbetweenelasticpile andsoilundertorsionloads[j].journalofzhejiangshurenuniversity: ActaScientiarumNaturalium,2009(4): [12] 梁力, 李鑫, 李明, 等. 预制混凝土桩体抗扭设计及试验 [J]. 建筑科学与工程学报,2009(2): LiangL,LiX,LiM,etal.Designandexperimentontorsionalbehaviors ofprecastconcretepilebody[j]. JournalofArchitectureand Civil Engineering,2009(2): [13] 王建华, 戚春香, 余正春, 等. 弱化饱和砂土中桩的 P Y 曲线与极限抗力研究 [J]. 岩土工程学报,2008,30(3): WangJH,QiCX,YuZC,etal.P Ycurvesandlateralresistancesof pilesinsaturateddegradationsand[j].chinesejournalofgeotechnical Engineering,2008,30(3): [14] 桩基工程手册编写委员会. 桩基工程手册 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社,1997. [15] 吴鹏, 龚伟明, 梁书亭. 用三维有限元法对超长单桩桩端承载力的研究 [J]. 岩土力学,2006,27(10): WuP,GongW M,LiangST.Studyofbasebearingcapacityofover lengthsinglepileusing3dfem [J].RockandSoilMechanics,2006, 27(10): StudyonBearingMechanism andcharacteristicsofpilegroupfoundation undertorsionalload LIANGQian 1,SUHangzhou 1,JIXiaoxiang 2,ZOUWei 3 (1.SchoolofHighway,Chang anuniversity,xi an710064,china;2.henaninstituteofhighwayengineeringtechnology Co.,Ltd.,Zhengzhou450000,China;3.SuzhouZhongjinJianghaiConstructionCo.,Ltd.,Suzhou215000,Jiangsu,China) Abstract:Basedonthepreviousstudies,withthepracticeintheconstructionbyswingmethodforabridge, thispaper,bymeansoftheoreticalanalysisandnumericalsimulation,studiedthepilegroupfoundation s torsionalbearingcharacteristicsandtheloadtransfermechanism,discusedtheefectsoftorsionalloadonthe bearingcharacteristicsofcentralpile,sidepileandcornerpile,andbyanalysis,foundoutthelawshow eachpile storquechanges,howthetorquetransfersalongthepilebody,howthetwisttransfersalongthepile body,andhowthetorqueandtwistchange;atlastfurtherverifiedthepreviousachievements. Keywords: swivelbridge; torsionalload; pile group foundation; bearing characteristics; theoretical analysis;numericalsimulation

第 38 卷 2018 年 9 月第 9 期中国港湾建设 China Harbour Engineering Vol. 38 Sep No.9 水平循环荷载作用下单桩基础承载性状数值分析杨东岩 1,2, 史旦达 1, 邵伟 1 (1. 上海海事大学海洋科学与工程学院, 上海 201

第 38 卷 2018 年 9 月第 9 期中国港湾建设 China Harbour Engineering Vol. 38 Sep No.9 水平循环荷载作用下单桩基础承载性状数值分析杨东岩 1,2, 史旦达 1, 邵伟 1 (1. 上海海事大学海洋科学与工程学院, 上海 201 第 3 卷 1 年 9 月第 9 期 China Harbour Engineering Vol. 3 Sep. 1 No.9 水平循环荷载作用下单桩基础承载性状数值分析杨东岩 1,, 史旦达 1, 邵伟 1 (1. 上海海事大学海洋科学与工程学院, 上海 13;. 中交上海航道勘察设计研究院有限公司, 上海 1) 摘要 : 文章采用 ABAQUS 有限元软件分析了桩顶自由长度桩长径比桩土刚度比等因素对水平循环荷载作用下