第36卷第5期 2014年5月 doi:10.3963/.issn.1671-4431.2014.05.019 港珠澳大桥长短组合桩基础有限元分析及受力研究 别业山，刘沐字2，张强 1.中铁大桥勒测设计院集团有限公司，武汉43050：2.武汉理工大学道路 与析梁结构工程湖北重点实验室，武汉430070) 摘要：由于“加”法计界检基时未考虑检倒土厚租力，为研究旅侧土厚阻力对长短组合柱基础核基抽力分布的影响 以港珠溪大桥浅水区非通核孔桥植基陆为例开展分析，来用Ms有限元轮件建立模型进行计算分析，模型中来用多折 钱弹贵提椒雄侧土摩粗力，结采表明，桩侧土摩但力对长斑组合雄悬础桩慧袖力影响较大，计算方法对桂益设计度工租 造价控制具有重要意又， 关键词：港球澳大桥；长短组合植；m法：有限元；桩侧土摩阻力 中图分类号：U443. 文献标识码：A 文章编号：1671-4431(2014)050101-05 Numerical and Stress Analysis of Composite Foundation with Long and Short Piles for the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge BIE Ye-shan,LIU Mu-yu',ZHANG Qiang (1.China Railway Major Bridge Ree ance Design Group Co Lid.Wuhan 430050.China; 2.Hubei Key of Roadway Engineering Wuhan Universityof Technology Wuhan 430070,China) Abstract:The research analyzed axial force distribution of composite foundations with long and short piles which was influenced with pile lateral soil resistance based on the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge.The finite element model of th bridge was established by Midas,and lateral friction which affected pile foundations was simulated by more line spring fo lateral friction.Results showed that lateral friction had great influence on axial force of composite foundations with long and short piles.Finite element analysis should be done to analyze axial force of composite foundations when the pil engths of pile foundations were different.This method ean provide some reference for the design and construcion of pile undations Key words:Hong Kong-Zhuhai-Macao bridge:composite foundations with long and short piles:m method:finite element method;lateral friction of pile 桥垫工程中，嵌岩群桩其础排长不一致的桔况不可游免，而柱长不同会导致排基轴力不均匀，在实际工 程中 般采用公路桥酒地基与基础设计规范TGD63 -2007)推荐的“m”法计算桩基内力，但“m”法未考 虑桩土之间摩阻力，即未计桩侧土摩阻力对桩身轴力的影响，而实际上桩侧土摩阻力对桩身轴力有较大的影 响☒，因此有必要开展桩侧土摩阻力对长短组合桩基础桩基轴力分布的影响分析。 目前桩基的受力研究主要有试验研究和仿真分析]，由于仿真分析需要大量的土体参数，参数的取值 对计算结果影响较大，而参数在实际工程中不易得到，因此有学者提出了基于“m”法的线性有限元模型[] 来用于工程计算，在桩底及柱侧施加弹性约柬来模拟土体对桩基的作用，此种计算模型与设计规范计算理论 相同，桩基可采用梁单元来模拟，建模较为简单，目前已被工程人员广泛采用。也有学者采用基于“m”法的 稿日期：201402-28 (C)1994-2020 China Academie Journal Eleetronie Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
第３６卷 第５期 ２０１４年５月 武 汉 理 工 大 学 学 报 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＷＵＨＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．５ Ｍａｙ ２０１４ ｄｏｉ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－４４３１．２０１４．０５．０１９ 港珠澳大桥长短组合桩基础有限元分析及受力研究 别业山１，刘沐宇２，张 强１ （１．中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉 ４３００５０；２．武汉理工大学道路 与桥梁结构工程湖北重点实验室，武汉 ４３００７０） 摘 要： 由于“ｍ”法计算桩基时未考虑桩侧土摩阻 力，为研究桩侧土摩阻力对长短组合桩基础桩基轴力分布的影响， 以港珠澳大桥浅水区非通航孔桥桩基础为例开展分析，采用 Ｍｉｄａｓ有限元软件建立模型进行计算分析，模型中采用多折 线弹簧模拟桩侧土摩阻力。结果表明，桩侧土摩阻力对长短组合桩基础桩基轴力影响较大，计算方法对桩基设计及工程 造价控制具有重要意义。 关键词： 港珠澳大桥； 长短组合桩； ｍ 法； 有限元； 桩侧土摩阻力 中图分类号： Ｕ４４３．１ 文献标识码： Ａ 文章编号：１６７１－４４３１（２０１４）０５－０１０１－０５ ＮｕｍｅｒｉｃａｌａｎｄＳｔｒｅｓｓＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｗｉｔｈＬｏｎｇａｎｄ ＳｈｏｒｔＰｉｌｅｓｆｏｒｔｈｅＨｏｎｇＫｏｎｇ－Ｚｈｕｈａｉ－ＭａｃａｏＢｒｉｄｇｅ ＢＩＥＹｅ－ｓｈａｎ１，ＬＩＵＭｕ－ｙｕ２，ＺＨＡＮＧＱｉａｎｇ１ （１．ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＭａｊｏｒＢｒｉｄｇｅＲｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ＆ ＤｅｓｉｇｎＧｒｏｕｐＣｏＬｔｄ，Ｗｕｈａｎ４３００５０，Ｃｈｉｎａ； ２．ＨｕｂｅｉＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＲｏａｄｗａｙＢｒｉｄｇｅ＆ ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎａｌｙｚｅｄａｘｉａｌｆｏｒｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓｗｉｔｈｌｏｎｇａｎｄｓｈｏｒｔｐｉｌｅｓｗｈｉｃｈｗａｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｗｉｔｈｐｉｌｅｌａｔｅｒａｌｓｏｉｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＨｏｎｇＫｏｎｇ－Ｚｈｕｈａｉ－ＭａｃａｏＢｒｉｄｇｅ．Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙＭｉｄａｓ，ａｎｄｌａｔｅｒａｌｆｒｉｃｔｉｏｎｗｈｉｃｈａｆｆｅｃｔｅｄｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｍｏｒｅｌｉｎｅｓｐｒｉｎｇｆｏｒ ｌａｔｅｒａｌｆｒｉｃｔｉｏｎ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｌａｔｅｒａｌｆｒｉｃｔｉｏｎｈａｄｇｒｅａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎａｘｉａｌｆｏｒｃｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓｗｉｔｈｌｏｎｇ ａｎｄｓｈｏｒｔｐｉｌｅｓ．Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｕｌｄｂｅｄｏｎｅｔｏａｎａｌｙｚｅａｘｉａｌｆｏｒｃｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓｗｈｅｎｔｈｅｐｉｌｅ ｌｅｎｇｔｈｓｏｆｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｓｏｍｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ＨｏｎｇＫｏｎｇ－Ｚｈｕｈａｉ－Ｍａｃａｏｂｒｉｄｇｅ； ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓｗｉｔｈｌｏｎｇａｎｄｓｈｏｒｔｐｉｌｅｓ； ｍ ｍｅｔｈｏｄ； ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ； ｌａｔｅｒａｌｆｒｉｃｔｉｏｎｏｆｐｉｌｅ 收稿日期：２０１４－０２－２８． 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（博导类）（２０１１０１４３１１００１６）和湖北省自然科学基金（２０１３ＣＦＡ０４９）． 作者简介：别业山（１９８１－），男，工程师．Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｉｅｙｓ＠ｂｒｄｉ．ｃｏｍ．ｃｎ 桥梁工程中，嵌岩群桩基础桩长不一致的情况不可避免，而桩长不同会导致桩基轴力不均匀，在实际工 程中，一般采用公路桥涵地基与基础设计规范 （ＪＴＧＤ６３—２００７）推荐的“ｍ”法计算桩基内力，但“ｍ”法未考 虑桩土之间摩阻力，即未计桩侧土摩阻力对桩身轴力的影响，而实际上桩侧土摩阻力对桩身轴力有较大的影 响［１－２］，因此有必要开展桩侧土摩阻力对长短组合桩基础桩基轴力分布的影响分析。 目前桩基的受力研究主要有试验研究和仿真分析［３－５］，由于仿真分析需要大量的土体参数，参数的取值 对计算结果影响较大，而参数在实际工程中不易得到，因此有学者提出了基于“ｍ”法的线性有限元模型［６－７］ 来用于工程计算，在桩底及桩侧施加弹性约束来模拟土体对桩基的作用，此种计算模型与设计规范计算理论 相同，桩基可采用梁单元来模拟，建模较为简单，目前已被工程人员广泛采用。也有学者采用基于“ｍ”法的
102 式汉理工大学学报 2014年5月 线性有限元模型来分析不等长桩基的内力，但模型未考虑桩侧士摩阻力对桩身轴力的影响，对此方面研究 较少。 以港珠澳大桥浅水区非通航孔桥基础为例开展分析，采用Mids有限元软件建立基于“m”法的有限元 模型，模型中采用多折线弹簧模拟桩侧土摩阻力对桩基的作用，多折线弹簧参数根据工程现场试桩试验获得 的桩侧土：-S曲线取用，符合桩基实际受力状态。 1工程概况 港珠澳大桥浅水区非通航孔桥采用85m连续组合梁，5~6孔一联，全长5440m。桥面总宽33.1m, 采用整墩分幅布置型式，两幅主梁中心距16.8m,桥梁中心线处梁缝宽0.5m,单幅桥面宽16.30m。主梁 采用“开口钢箱十混凝土桥面板”的组合结构，下部结构采用整体式布置，锅管复合桩基础，埋置式承台，承台 和身均采用预制安装施工。 承台平面尺寸为 cm×1140cm,厚450cm:桩径180cm,桩长5000cm (未考虑岩面起伏)，按嵌岩桩设计。基础布置如图1所示。 5 ② 550 ©6 550 550230 1560 图1基础结构布置图（单位cm 桥区范围内第四系覆盖层按成因时代及岩性特征划分为5大层，①层为主要全新统海积相淤泥，淤泥质 土，②，③层为晚更新统海河交互相黏性土夹砂层，①层为晚更新统河流冲积相黏性土夹砂，⑤层为花岗岩风 化残积土，第四系覆盖层厚17一42m。基岩为晚侏罗世燕山第三期花岗岩，岩面较平缓，基岩全强风化发 有，风化差异显著，全强风化基岩中常夹有中微风化残留体，中微风化岩面起伏大，局部地段基岩受构造挤压 影响，裂阻发有， 2有限元模型的建立 采用Midas空间有限元程序进行计算分析，桩基采用梁单元，单元长 度为1m:承台与桩基的连接采用刚性连接：桩侧土对桩基的水平作用采 用节占线性弹性古承模拟，桩削土摩阳力对排基的怒向作用采用节占彩 折线弹性支承模 ,桩端士对桩基的作用采用节点线性弹性支承模拟 空间有限元模型如图2所示。 3有限元模型参数选取 图2有限元模型示意图 1)岩土参数根据施工图阶段的地质详勘资料，选取具有代表性的地质钻孔资料进行计算分析，海床面 以下依次为10m厚淤泥，15m厚粉质黏土、3m厚粗砾砂、3m厚粉质黏土、7m厚全风化花岗岩、13m厚 强风化花岗岩，持力层为微风化花岗岩。各土层参数详见表1。 2)桩侧土水平弹性支承刚度根据现行的桥梁地基与基础设计规范，桩基按照弹性地基梁考虑，采用m 法来计算地基系数，其计算式为 C。=mX2 (1) 式中，m为土的地基系数随深度变化的比例系数，kN/m':为入土深度 C)1994-2020 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnkine
线性有限元模型来分析不等长桩基的内力［８］，但模型未考虑桩侧土摩阻力对桩身轴力的影响，对此方面研究 较少。 以港珠澳大桥浅水区非通航孔桥基础为例开展分析，采用 Ｍｉｄａｓ有限元软件建立基于“ｍ”法的有限元 模型，模型中采用多折线弹簧模拟桩侧土摩阻力对桩基的作用，多折线弹簧参数根据工程现场试桩试验获得 的桩侧土τ－Ｓ 曲线取用，符合桩基实际受力状态。 １ 工程概况 港珠澳大桥浅水区非通航孔桥采用８５ｍ 连续组合梁，５～６孔一联，全长５４４０ｍ。桥面总宽３３．１ｍ， 采用整墩分幅布置型式，两幅主梁中心距１６．８ｍ，桥梁中心线处梁缝宽０．５ｍ，单幅桥面宽１６．３０ｍ。主梁 采用“开口钢箱＋混凝土桥面板”的组合结构，下部结构采用整体式布置，钢管复合桩基础，埋置式承台，承台 和墩身均采用预制安装施工。承台平面尺寸为１５６０ｃｍ×１１４０ｃｍ，厚４５０ｃｍ；桩径１８０ｃｍ，桩长５０００ｃｍ （未考虑岩面起伏），按嵌岩桩设计。基础布置如图１所示。 桥区范围内第四系覆盖层按成因时代及岩性特征划分为５大层，①层为主要全新统海积相淤泥、淤泥质 土，②、③层为晚更新统海河交互相黏性土夹砂层，④层为晚更新统河流冲积相黏性土夹砂，⑤层为花岗岩风 化残积土，第四系覆盖层厚１７～４２ｍ。基岩为晚侏罗世燕山第三期花岗岩，岩面较平缓，基岩全强风化发 育，风化差异显著，全强风化基岩中常夹有中微风化残留体，中微风化岩面起伏大，局部地段基岩受构造挤压 影响，裂隙发育。 ２ 有限元模型的建立 采用 Ｍｉｄａｓ空间有限元程序进行计算分析，桩基采用梁单元，单元长 度为１ｍ；承台与桩基的连接采用刚性连接；桩侧土对桩基的水平作用采 用节点线性弹性支承模拟，桩侧土摩阻力对桩基的竖向作用采用节点多 折线弹性支承模 拟，桩端土对桩基的作用采用节点线性弹性支承模拟。 空间有限元模型如图２所示。 ３ 有限元模型参数选取 １）岩土参数 根据施工图阶段的地质详勘资料，选取具有代表性的地质钻孔资料进行计算分析，海床面 以下依次为１０ｍ 厚淤泥、１５ｍ 厚粉质黏土、３ｍ 厚粗砾砂、３ｍ 厚粉质黏土、７ｍ 厚全风化花岗岩、１３ｍ 厚 强风化花岗岩，持力层为微风化花岗岩。各土层参数详见表１。 ２）桩侧土水平弹性支承刚度 根据现行的桥梁地基与基础设计规范，桩基按照弹性地基梁考虑，采用 ｍ 法来计算地基系数，其计算式为 Ｃｚ ＝ ｍ×ｚ （１） 式中，ｍ 为土的地基系数随深度变化的比例系数，ｋＮ／ｍ４；ｚ为入土深度。 ２０１ 武 汉 理 工 大 学 学 报 ２０１４年５月
第36卷第5期 别业山，刘沐宇，张强：港珠澳大桥长短组合桩菇础有限元分析及受力研究 103 因此，桩侧土水平弹簧刚度为 Ks=mX Xh: (2) 式中，，为深度之处土层的厚度：b1为桩基计算宽度。 表1各土层参数表 土层 土层名称 土层厚度/m极限侧阻力/kPam值/(kPa·m) 海床面 10 10 4000 G③4 粉质黏士 15 40 7500 ④4 90 15000 ③4 粉质黏土 68 7500 全风化花岗岩 20000 02 强风化花岗岩 112 30000 ⑤3 微风化花岗岩 10 3)桩侧士摩阻力竖向弹性支承刚度桩侧土摩阻力的取值是本模型的关键参数，为保证计算结果的 确性，结合工程实际，在桥位进行工程试桩，现场进行试验。根据港珠澳大桥主体工程桥梁试桩工程施工及 试验研究招标文件，钻孔灌注桩试桩按嵌岩柱设计，荷载试验采用自平衡法进行。试验采用慢速维持荷载 法，即逐级加载，每级荷裁达到某一规定的相对稳定标准后方可进行下一级加载，直至达到最大加载要求量 或试排破坏，停止加载，然后分级知载至零。 桩侧士对桩基产生的摩阻力与桩土间的相对位移有关，根据港珠澳大桥试桩现场测试数据，各土层：S 曲线详见图3。 0、 24右80 05 图3土层rS曲线 因此，桩侧土竖向单位长度弹簧刚度为 K=TXΠXD (3) 式中，：为对应桩土相对位移为S时桩侧土摩阻力：D为基桩直径。 4)柱端持力层竖向弹性支承刚度根据m法可知，柱底弹簧刚度为 K=C0XAg (4D 式中，C,为桩底土竖向地基系数：A为柱底土受压面积。 4计算工况及结果分析 按瓢上述边界条件建立有限元模型，在承台底施加运营荷载，考虑1号桩桩长增加或减短5m,10m、 15m6种工况米模拟岩面起伏情况，分析桩身轴力的变化。由于覆盖层厚度达31m,计算表明桩基长度变 化对桩身弯矩及剪力影响很小。因此，重点分析在竖向力作用下，桩长不同时群桩轴力的变化。工况1为1 号桩桩长增加5m,工况2为1号桩桩长增加10m,工况3为1号桩桩长增加15m,工况4为1号柱桩长诚 短5m,工况5为1号桩柱长减短10m,工况6为1号桩桩长减短15m。 下面列出了具有代表性的工况1、工况3、工况4及工况6各桩桩身轴力分布图，如图4~图7所示。 从图4一~图7可知，桩身轴力随着土层厚度加深而减小，且减小幅度较大：当1号桩桩长增加时，桩顶轴 C)1994-2020 China Academie Journal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
因此，桩侧土水平弹簧刚度为 Ｋ水 平 ＝ ｍ×ｚ×ｂ１ ×ｈｚ （２） 式中，ｈｚ 为深度ｚ 处土层的厚度；ｂ１ 为桩基计算宽度。 表１ 各土层参数表 土层 土层名称 土层厚度／ｍ 极限侧阻力／ｋＰａ ｍ 值／（ｋＰａ·ｍ－２） 海床面 ①２ 淤泥 １０ １０ ４０００ ③４ 粉质黏土 １５ ４０ ７５００ ④４ 粗砾砂 ３ ９０ １５０００ ③４ 粉质黏土 ３ ６８ ７５００ ⑥１ 全风化花岗岩 ７ ９０ ２００００ ⑥２ 强风化花岗岩 １３ １１２ ３００００ ⑥３ 微风化花岗岩 １０ － － ３）桩侧土摩阻力竖向弹性支承刚度 桩侧土摩阻力的取值是本模型的关键参数，为保证计算结果的准 确性，结合工程实际，在桥位进行工程试桩，现场进行试验。根据港珠澳大桥主体工程桥梁试桩工程施工及 试验研究招标文件，钻孔灌注桩试桩按嵌岩桩设计，荷载试验采用自平衡法进行。试验采用慢速维持荷载 法，即逐级加载，每级荷载达到某一规定的相对稳定标准后方可进行下一级加载，直至达到最大加载要求量 或试桩破坏，停止加载，然后分级卸载至零。 桩侧土对桩基产生的摩阻力与桩土间的相对位移有关，根据港珠澳大桥试桩现场测试数据，各土层τ－Ｓ 曲线详见图３。 因此，桩侧土竖向单位长度弹簧刚度为 Ｋ竖 向 ＝τ×Π×Ｄ （３） 式中，τ为对应桩土相对位移为Ｓ 时桩侧土摩阻力；Ｄ 为基桩直径。 ４）桩端持力层竖向弹性支承刚度 根据 ｍ 法可知，桩底弹簧刚度为 Ｋ桩 底 ＝ Ｃ０ ×Ａ０ （４） 式中，Ｃ０ 为桩底土竖向地基系数；Ａ０ 为桩底土受压面积。 ４ 计算工况及结果分析 按照上述边界条件建立有限元模型，在承台底施加运营荷载，考虑１号桩桩长增加或减短５ｍ、１０ｍ、 １５ｍ６种工况来模拟岩面起伏情况，分析桩身轴力的变化。由于覆盖层厚度达３１ｍ，计算表明桩基长度变 化对桩身弯矩及剪力影响很小。因此，重点分析在竖向力作用下，桩长不同时群桩轴力的变化。工况１为１ 号桩桩长增加５ｍ，工况２为１号桩桩长增加１０ｍ，工况３为１号桩桩长增加１５ｍ，工况４为１号桩桩长减 短５ｍ，工况５为１号桩桩长减短１０ｍ，工况６为１号桩桩长减短１５ｍ。 下面列出了具有代表性的工况１、工况３、工况４及工况６各桩桩身轴力分布图，如图４～图７所示。 从图４～图７可知，桩身轴力随着土层厚度加深而减小，且减小幅度较大；当１号桩桩长增加时，桩顶轴 第３６卷 第５期 别业山，刘沐宇，张 强：港珠澳大桥长短组合桩基础有限元分析及受力研究 ３０１
104 式汉理工大学学报 2014年5月 力变化较小：当】号桩桩长减短时，桩顶轴力变化较大。各工况有限元模型与m法计算的桩顶轴力见表2 表3。 -24000 -24000 -210 1800 -15000 陆2-6 2 600 -600 -300 硅号 -300 蛀号1 图4工况1桩身轴力图 图5工况3桩身力图 -24001 -24000 -600 桩号2-6 #积26 -30 713192531374349 07书内2方市4书49 图6工况身鞘为图 图7工况6桩身轴力图 表2桩长增加时桩顶轴力表 /kN 工况】 工况2 工况3 桩号 法 有限元法 有限元法 理法 有限元法 1 19360 20149 18530 20076 17770 20031 20900 20370 21470 20418 22000 20453 3 20430 20289 20580 20304 20710 20313 20770 20336 21230 20380 21660 20407 5 20300 20266 20340 20266 20370 20266 19840 20196 19450 20152 19090 20125 表3桩长减短时桩顶镇力表 /kN 工况4 工况5 工况6 桩号 法 有限元法 法 有限元法 法 有限元法 1 21260 20449 22360 20721 23580 21111 19570 20119 18810 19901 17970 19588 3 20090 20299 19890 20176 19670 20099 19710 20156 19100 19993 18420 19759 5 20220 20266 20180 20267 20120 2026 20740 20376 21260 20538 21830 20770 从以上有限元分析结果可知，柱顶与桩底轴力相差较大，说明桩侧土摩阻力对桩身轴力影响较大。将m法 及有限元模型计算结果进行对比分析，桩顶轴力增量（与柱长均为50 时桩顶轴力进行比较)见表4，表5】 由表4可知 1号桩桩 增加 15m时，m法计算的桩顶反力增量 -123%,有限元 (C)1994-2020 China Academie Joumal Eleetronie Publishing House.All rights reserved.htp://www.enki.net
力变化较小；当１号桩桩长减短时，桩顶轴力变化较大。各工况有限元模型与 ｍ 法计算的桩顶轴力见表２、 表３。 表２ 桩长增加时桩顶轴力表 ／ｋＮ 桩号 工况１ ｍ 法 有限元法 工况２ ｍ 法 有限元法 工况３ ｍ 法 有限元法 １ １９３６０ ２０１４９ １８５３０ ２００７６ １７７７０ ２００３１ ２ ２０９００ ２０３７０ ２１４７０ ２０４１８ ２２０００ ２０４５３ ３ ２０４３０ ２０２８９ ２０５８０ ２０３０４ ２０７１０ ２０３１３ ４ ２０７７０ ２０３３６ ２１２３０ ２０３８０ ２１６６０ ２０４０７ ５ ２０３００ ２０２６６ ２０３４０ ２０２６６ ２０３７０ ２０２６６ ６ １９８４０ ２０１９６ １９４５０ ２０１５２ １９０９０ ２０１２５ 表３ 桩长减短时桩顶轴力表 ／ｋＮ 桩号 工况４ ｍ 法 有限元法 工况５ ｍ 法 有限元法 工况６ ｍ 法 有限元法 １ ２１２６０ ２０４４９ ２２３６０ ２０７２１ ２３５８０ ２１１１１ ２ １９５７０ ２０１１９ １８８１０ １９９０１ １７９７０ １９５８８ ３ ２００９０ ２０２９９ １９８９０ ２０１７６ １９６７０ ２００９９ ４ １９７１０ ２０１５６ １９１００ １９９９３ １８４２０ １９７５９ ５ ２０２２０ ２０２６６ ２０１８０ ２０２６７ ２０１２０ ２０２６７ ６ ２０７４０ ２０３７６ ２１２６０ ２０５３８ ２１８３０ ２０７７０ 从以上有限元分析结果可知，桩顶与桩底轴力相差较大，说明桩侧土摩阻力对桩身轴力影响较大。将ｍ 法 及有限元模型计算结果进行对比分析，桩顶轴力增量（与桩长均为５０ｍ时桩顶轴力进行比较）见表４、表５。 由表４可知，当１号桩桩长增加５～１５ｍ 时，ｍ 法计算的桩顶反力增量由－４．５％变为－１２．３％，有限元 ４０１ 武 汉 理 工 大 学 学 报 ２０１４年５月
第36卷第5期 别业山，刘沐宇，张强：港珠澳大桥长短组合桩菇础有限元分析及受力研究 105 模型计算的桩顶反力增量由一0.6%变为一1.2%，两种方法计算差别较大，主要是m法未考虑桩侧土对桩 身轴力的影响，与实际受力不符。从有限元法模型计算结果可知，当1号桩桩长增加5一15m时，6根桩桩 项反力变化较小，对群桩基础受力影响不大。 由表5可知，当1号桩桩长域短515m时.m法计算的桩顶反力增量由4.9%变为16.3%，有限元模 型计算的柱顶反力增量由0.9%变为4.1%，两种方法计算差别原因同上。从有限元模型计算结果可知，当 1号桩桩长减短5一15m时，6根桩的桩顶反力变化在5%以内，工程上可以接受，无需对桩基及承台进行特 殊设计，能满足受力要求 表4桩长增加时桩顶轴力增量比较表（与桩长均为50m时进行比较） 1% 桩号 工况】 工况2 工况3 法 有限元法 刚法 有限元法 法 有限元法 1.0 12,3 3 0. 5 0. 8. 0.1 -91 -04 -40 =06 5 8 -07 表5桩长减短时桩顶轴力增量比较表（与桩长均为50m时进行比较） /% 工况4 工况5 桩号 工况6 别法 有限元法 用法 有限元法 法 有限元法 1 4.9 0.9 10.3 2.2 16.3 4.1 3. -1.8 -11.3 -3.4 0. 0. 6 0.5 13 75 5结论 a.当浅水区非通航孔桥桩基中某一根桩增长10%~30%时，6根桩基桩顶反力差别在2%以内，对群桩 基础受力影响较小 b.当浅水区非通航孔桥桩基中某一根桩减短10%一30%时，6根桩基桩顶反力差别在5%以内，工程」 可以接受，无需对柱基及承台进行特殊设计，能满足受力要求。当桩长差别更大时，应考虑其对群柱受力的 影响。 C,采用m法计算桩基内力时，未考虑桩土之间摩阻力，对桩长不同的群桩轴力计算不准确，建议结合实 际设计条件采用文中所述的有限元模型进行计算分析 桥梁设计规范只是笼统规定同一桩基中桩长相差不宜过大，而文中所述的有限元计算方法可定量分 析桩长不同时群柱内力，用于指导桩基设计及现场桩基终孔，合理控制工程造价，具有重要意义。 参考文献 [1】赖天文，杨有海.超长桩荷我传递机理及有效桩长研究[.兰州交通大学学报：自然科学版，2007,26(6)：1619 [2)】黄明聪，龚晓南，赵善锐.钻孔灌注长桩试验曲线型式及破坏机理探讨[].铁道学报，1998,20(4)：9397 [3]吴鹏，聋维明，梁书亭.桩燕承找性状分析的有限元背我传递联合法[U].桥梁建设，2006(2)111-13 「自高.计基的有限元方法及程序设计们.合肥工业大学学报：自然科学版，1999,22(51)：-13 [5]司海宝，察正银.基于ABAQUS建立土体本构模型库的研究J].岩土力学，2011,32(2)：12-15. [6]】席世玲，叶见曙.姚晓励.桥梁桩基础有限元模型构建思路与应用[门.特种结枸，2010(4)：77-80. [7刀张莉，李夕兵.基于m法线性有限元分析在桩菇计算中的应用].山西建筑，2008(4)，1920 [8施权君，韦达洁.用有限元法计算不等长桩燕的内力].山西建筑，2007(6)：130-131， C)1994-2020 China Academic Joumal Electronie Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
模型计算的桩顶反力增量由－０．６％变为－１．２％，两种方法计算差别较大，主要是 ｍ 法未考虑桩侧土对桩 身轴力的影响，与实际受力不符。从有限元法模型计算结果可知，当１号桩桩长增加５～１５ｍ 时，６根桩桩 顶反力变化较小，对群桩基础受力影响不大。 由表５可知，当１号桩桩长减短５～１５ｍ 时，ｍ 法计算的桩顶反力增量由４．９％变为１６．３％，有限元模 型计算的桩顶反力增量由０．９％变为４．１％，两种方法计算差别原因同上。从有限元模型计算结果可知，当 １号桩桩长减短５～１５ｍ 时，６根桩的桩顶反力变化在５％以内，工程上可以接受，无需对桩基及承台进行特 殊设计，能满足受力要求。 表４ 桩长增加时桩顶轴力增量比较表（与桩长均为５０ｍ 时进行比较） ／％ 桩号 工况１ ｍ 法 有限元法 工况２ ｍ 法 有限元法 工况３ ｍ 法 有限元法 １ －４．５ －０．６ －８．６ －１．０ －１２．３ －１．２ ２ ３．１ ０．５ ５．９ ０．７ ８．５ ０．９ ３ ０．８ ０．１ １．５ ０．２ ２．２ ０．２ ４ ２．５ ０．３ ４．７ ０．５ ６．９ ０．７ ５ ０．１ ０ ０．３ ０ ０．５ ０ ６ －２．１ －０．４ －４．０ －０．６ －５．８ －０．７ 表５ 桩长减短时桩顶轴力增量比较表（与桩长均为５０ｍ 时进行比较） ／％ 桩号 工况４ ｍ 法 有限元法 工况５ ｍ 法 有限元法 工况６ ｍ 法 有限元法 １ ４．９ ０．９ １０．３ ２．２ １６．３ ４．１ ２ －３．５ －０．７ －７．２ －１．８ －１１．３ －３．４ ３ －０．９ ０．１ －１．９ －０．５ －３．０ －０．８ ４ －２．８ －０．６ －５．８ －１．４ －９．１ －２．５ ５ －０．２ ０ －０．４ ０ －０．７ ０ ６ ２．３ ０．５ ４．９ １．３ ７．７ ２．５ ５ 结 论 ａ．当浅水区非通航孔桥桩基中某一根桩增长１０％～３０％时，６根桩基桩顶反力差别在２％以内，对群桩 基础受力影响较小。 ｂ．当浅水区非通航孔桥桩基中某一根桩减短１０％～３０％时，６根桩基桩顶反力差别在５％以内，工程上 可以接受，无需对桩基及承台进行特殊设计，能满足受力要求。当桩长差别更大时，应考虑其对群桩受力的 影响。 ｃ．采用 ｍ 法计算桩基内力时，未考虑桩土之间摩阻力，对桩长不同的群桩轴力计算不准确，建议结合实 际设计条件采用文中所述的有限元模型进行计算分析。 ｄ．桥梁设计规范只是笼统规定同一桩基中桩长相差不宜过大，而文中所述的有限元计算方法可定量分 析桩长不同时群桩内力，用于指导桩基设计及现场桩基终孔，合理控制工程造价，具有重要意义。 参考文献 ［１］ 赖天文，杨有海．超长桩荷载传递机理及有效桩长研究［Ｊ］．兰州交通大学学报：自然科学版，２００７，２６（６）：１６－１９． ［２］ 黄明聪，龚晓南，赵善锐．钻孔灌注长桩试验曲线型式及破坏机理探讨［Ｊ］．铁道学报，１９９８，２０（４）：９３－９７． ［３］ 吴 鹏，龚维明，梁书亭．桩基承载性状分析的有限元－荷载传递联合法［Ｊ］．桥梁建设，２００６（２）：１１－１３． ［４］ 张启富．计算桩基的有限元方法及程序设计［Ｊ］．合肥工业大学学报：自然科学版，１９９９，２２（Ｓ１）：９－１３． ［５］ 司海宝，蔡正银．基于 ＡＢＡＱＵＳ建立土体本构模型库的研究［Ｊ］．岩土力学，２０１１，３２（２）：１２－１５． ［６］ 邢世玲，叶见曙，姚晓励．桥梁桩基础有限元模型构建思路与应用［Ｊ］．特种结构，２０１０（４）：７７－８０． ［７］ 张 莉，李夕兵．基于 ｍ 法线性有限元分析在桩基计算中的应用［Ｊ］．山西建筑，２００８（４）：１９－２０． ［８］ 施权君，韦达洁．用有限元法计算不等长桩基的内力［Ｊ］．山西建筑，２００７（６）：１３０－１３１． 第３６卷 第５期 别业山，刘沐宇，张 强：港珠澳大桥长短组合桩基础有限元分析及受力研究 ５０１
