李 慶

（上?？睖y設(shè)計研究院 200434）

曹恒亮

（上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處 200434）

1 工程概況

鎮(zhèn)江市引航道水利樞紐工程位于鎮(zhèn)江市區(qū)北部內(nèi)江與長江鎮(zhèn)揚河段六圩彎道之間的人工溝通河道（鎮(zhèn)江市引航道）上，距長江側(cè)口門約500m。在250m河口寬范圍內(nèi)共設(shè)9個孔口，建筑物總寬度為249.6m。工程主要建筑物有節(jié)制閘、船閘、雙向泵站、公路橋等，各孔口閘墩為水平和豎向荷載的主要承力結(jié)構(gòu)，因此各個閘墩的樁基礎(chǔ)布置成為設(shè)計的關(guān)鍵要點。為此，從經(jīng)濟(jì)和創(chuàng)新的角度上，提出一種新的設(shè)計結(jié)構(gòu)——長短樁基礎(chǔ)處理結(jié)構(gòu)，設(shè)計思路為：長樁和短樁共同平均承擔(dān)水平荷載，而豎向荷載由長樁承擔(dān)，短樁不考慮承擔(dān)豎向荷載。

2 計算方案

長短樁設(shè)計思路尚未發(fā)現(xiàn)在工程中有實際運用的記錄，所以需要對長短樁組合樁基礎(chǔ)進(jìn)行三維彈塑性有限元分析，以揭示長短樁聯(lián)合工作機(jī)理，驗證和評價長短樁方案的合理性和安全性。通過選取不同的長短樁的數(shù)量、樁長和布樁位置等三個要素對長短樁的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化和分析，這也是對此新設(shè)計結(jié)構(gòu)的重要理論支持。由于計算組合工況多，選取5種不同的長短樁的數(shù)量、樁長和布樁位置方案先按彈性模型計算，對優(yōu)化方案再按照彈塑性模型重新計算。下面是利用有限元軟件ANSYS計算研究此問題的計算方案：

a.基本假定。土體、樁體、基礎(chǔ)底板均為連續(xù)性介質(zhì)；土體、樁體、基礎(chǔ)底板之間的連接為不滑動連接。

b.基本計算模型。土體考慮分層（根據(jù)土層的參數(shù)盡量多地按實際層數(shù)劃分，對參數(shù)相近土層盡量合并為同一土層，以減少計算時間和加快其收斂）。土體考慮其非線性特征時，采用理想彈塑性屈服準(zhǔn)則——Drucker-Prager準(zhǔn)則；而樁體和基礎(chǔ)底板剛度大,在計算中按線彈性模型考慮。樁體與土體之間共用節(jié)點，不考慮土體承擔(dān)荷載作用，基礎(chǔ)底板只與樁相連。短樁和長樁長分別為20m和50m的混凝土灌注樁。根據(jù)地質(zhì)土層，⑥層中粗砂下為花崗巖中風(fēng)化層，取⑥層中粗砂底面為底邊界，使用三向約束；底板基礎(chǔ)長方向取5倍底板基礎(chǔ)長度、底板基礎(chǔ)寬方向取5倍底板基礎(chǔ)寬度為計算邊界，進(jìn)行水平約束。

c.計算參數(shù)的選取。根據(jù)土層參數(shù)，經(jīng)優(yōu)化分析，輸入有限元軟件Ansys中，土體主要輸入的參數(shù)為：土體彈模、土體泊松比、土體的內(nèi)摩擦角和土體的粘聚力等。

樁體輸入的參數(shù)為：樁體彈模、樁體泊松比、樁體外徑和樁體厚度等。

基礎(chǔ)底板輸入的參數(shù)為：基礎(chǔ)底板彈模、基礎(chǔ)底板泊松比、基礎(chǔ)底板厚度等。

具體計算參數(shù)見表1。

d.模型計算。建立三維彈塑性模型，土體采用塊體單元——空間8結(jié)點SOLID45單元，各個結(jié)點的位移用以表現(xiàn)土體的總體垂直和水平位移；樁體采用空間管單元PIPE16，可以考慮樁體在承受水平或垂直荷載后的樁體彎矩、剪力和軸力等；基礎(chǔ)底板采用塊體單元——空間8結(jié)點SOLID45單元。圖1為計算模型示意圖。

表1 有限元計算參數(shù)

圖1 計算模型示意圖

e.具體計算方法。ANSYS軟件是以有限元理論為基礎(chǔ)編制的可以人機(jī)交互的有限元軟件，其基本計算思想為有限元理論，而有限元理論的基本思想為：先將一個整理模型離散為有限個小單元，分別計算各個小單元的結(jié)點位移、結(jié)點力，然后將各個單元的結(jié)點力、結(jié)點位移通過單元局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成整體坐標(biāo)系，從而達(dá)到解決問題的目的。而ANSYS軟件的一般計算過程為：選擇好各種材料的單元類型、材料參數(shù)、材料的計算模型等，開始建立模型并劃分網(wǎng)格，其后軟件自動進(jìn)行計算，直到收斂位置（設(shè)定收斂準(zhǔn)則），計算完成后通過后處理模塊POST提取結(jié)點的所有數(shù)據(jù)，整理分析所要研究的問題。

f.荷載施加方法。各工況荷載按表2選取，荷載坐標(biāo)如圖2所示。各項荷載通過閘墩傳遞到基礎(chǔ)，因此荷載做以下簡化施加到單元上。彎矩作為集中力施加在底板底面中心節(jié)點上；水平荷載作為單元面力均勻施加在底板閘墩位置的底面一圈單元上；豎向荷載由兩部分施加：3m厚的混凝土底板自重和總的豎向荷載扣除3m厚的混凝土底板自重作為單元面力均勻施加在底板閘墩位置的底面一圈單元上。各工況荷載按以下3種組合形式計算，彈性模型計算45種工況，彈塑性模型計算9種工況：

?計算基礎(chǔ)豎向位移和豎向受力情況時，由于不考慮短樁承受豎向荷載，在模型中去掉短樁，基礎(chǔ)豎向位移和豎向力主要由豎向荷載和彎矩引起，將各種工況中的豎向荷載和彎矩組合按上述辦法施加到模型中，計算基礎(chǔ)豎向位移和豎向受力；

?計算基礎(chǔ)的水平位移、水平受力和彎矩情況時，在長短樁完整模型中計算，基礎(chǔ)的水平位移、水平受力和彎矩主要由水平荷載和彎矩引起，因此將各種工況中的水平荷載和彎矩組合按上述辦法施加到模型中，計算基礎(chǔ)的水平位移、水平受力和彎矩；

?在長短樁完整模型中，按上述荷載施加方法將各工況的水平荷載、豎向荷載和彎矩施加到模型中。

表2 單個中孔閘墩荷載組合表（標(biāo)準(zhǔn)值）

3 彈性模型計算結(jié)果匯總

通過在彈性模型中對幾種不同布樁方案（見圖3）施加各種工況荷載進(jìn)行有限元計算，將按荷載組合方法??的計算成果匯總（由于5種布樁方案計算成果較多，考慮篇幅原因，該處不列出）。

圖2 荷載坐標(biāo)系統(tǒng)

4 優(yōu)化方案彈塑性模型計算結(jié)果匯總

在彈性模型計算的基礎(chǔ)上，考慮土體彈塑性特征，對土體采用理想彈塑性屈服準(zhǔn)則——Drucker-Prager準(zhǔn)則，建立土體彈塑性有限元模型，計算優(yōu)化方案各種荷載工況，將計算成果匯總于表3和表4中。

5 彈性計算結(jié)果分析

經(jīng)分析得出以下結(jié)果：

圖3 幾種布樁方案

a.短樁與長樁的相對位置的改變對于整個基礎(chǔ)的整體抗水平位移能力影響較小，在整個基礎(chǔ)中，短樁與長樁的抗水平位移能力相近，整個基礎(chǔ)的整體抗水平位移能力與基礎(chǔ)底板的布樁數(shù)量有關(guān)。幾種布樁方案的整體抗水平位移能力上基本相同。長樁布置位置對于整個基礎(chǔ)的整體抗豎向位移能力影響較大，布樁方案一和布樁方案二豎向位移基本相同，要優(yōu)于布樁方案三。

b.不同布樁形式對長短樁分擔(dān)水平荷載比例影響較大，方案一中長樁承擔(dān)的水平荷載比例最大，方案二次之，方案三最小，即方案三短樁承擔(dān)水平荷載比例要比方案一和方案二高。方案一和方案二中平均單樁承擔(dān)水平荷載長樁要比短樁大，而方案三中平均單樁承擔(dān)水平荷載短樁要比長樁大。

表4 優(yōu)化方案彈塑性模型計算成果總匯總（受力方向見圖2）（長短樁完整模型下加上全部荷載）

c.各種布樁方案中，水平力分布均勻程度一致，說明短樁與長樁在抗水平荷載能力上相差不大；但短樁的布置位置對豎向力分布有較大的影響，相比之下，方案一要比方案二和方案三豎向力分布均勻些。

d.樁體的上部6m幾乎承擔(dān)了大部分的彎矩和水平荷載。樁的水平變形絕大部分發(fā)生在上半部6m，下端水平變形很小，上半部分的土體處于塑性發(fā)展?fàn)顟B(tài)，而下半部分的土體幾乎沒有塑性變形。樁體上端對水平荷載的反應(yīng)最為敏感。

e.在各個荷載工況中，基礎(chǔ)邊緣樁受力最大，尤其位于基礎(chǔ)的邊角處，受力最大，基礎(chǔ)里面的樁所受荷載要比外面的樁小。基礎(chǔ)四個角的樁受到的豎向荷載最大，中心處的樁受到的豎向荷載較小，中心處樁的沉降比四周樁的沉降要大。

f.全長樁方案與長短樁方案相比，在抗水平荷載能力上基本一樣，豎向承載力提高很多。

6 方案優(yōu)化及其彈塑性計算結(jié)果分析

通過計算，可以發(fā)現(xiàn)荷載主要由四周邊樁承擔(dān)，且各角樁承受的荷載最大，中間的樁承受的豎向荷載較小，經(jīng)分析，提出一種優(yōu)化布樁方案，見圖3。將短樁布置在基礎(chǔ)的中央處，基礎(chǔ)四個角都布置4根長樁，在閘墩位置處布置一圈長樁以承受上部傳遞的荷載，其余的長樁盡量布置在地板邊緣，短樁交替布置在長樁周圍，并保證布樁對稱性。

將此方案按照彈性模型計算，與三種方案進(jìn)行比較分析：

a.抗水平位移能力與三種方案基本一樣，抗豎向位移能力要優(yōu)于三種布樁方案，最大沉降為26.1mm，豎向力分布要比三種方案均勻些。

b.長樁承擔(dān)水平荷載與短樁承擔(dān)水平荷載之比要比三種方案的大，長樁承擔(dān)更多的水平荷載。

c.樁所受到的最大彎矩和最大水平力與三種方案的最大值一樣，受到的最大豎向力要比三種方案的小，長樁承載力安全度要比三種方案的高，其長樁分擔(dān)較大的水平荷載，其短樁分擔(dān)相對較小的水平荷載。

將此方案按照彈塑性模型計算，結(jié)果匯于表3和表4中，與其彈性計算結(jié)果進(jìn)行比較分析：

a.由于局部土體進(jìn)入塑性狀態(tài)，按彈塑性計算的產(chǎn)生位移值比按彈性計算的產(chǎn)生位移值大。

b.按彈塑性計算的水平力和豎向力最大值比按彈性計算的水平力和豎向力最大值小，且其最大值與最小值的差值要比按彈性計算的小，但按彈塑性計算的彎矩最大值比按彈性計算的彎矩最大值大。

c.按彈塑性計算與按彈性計算的各樁受水平力不均勻性不一致。按彈性計算，群樁外邊緣樁分配到的水平力最大且對稱，角樁最大，中間樁分配到的水平力最?。话磸椝苄杂嬎?，水平荷載作用方向的前排樁分配到的水平力最大，反之，后排樁和中間樁受到較小的水平力。相同工況荷載下，中間樁分配到的水平力相比彈性計算結(jié)果的要大，說明在水平荷載作用下，在荷載方向上，基礎(chǔ)兩側(cè)樁受到的水平荷載不一樣，沿荷載作用方向樁前側(cè)和后側(cè)土體的力學(xué)行為是不同的。這是由于樁群的上層土體進(jìn)入塑性狀態(tài)，使樁間土體軟化，則引起后樁承載力降低，而前樁土體處于半無限狀態(tài)，承載力較高。

7 評價與建議

在該工程實際應(yīng)用中，由于在砂性土地基中進(jìn)行鉆孔灌注樁施工，樁端及樁側(cè)摩阻力由于施工及土質(zhì)等原因，單樁豎向荷載難以達(dá)到設(shè)計荷載。為滿足單樁豎向設(shè)計荷載要求，最終采用等長樁方案，并且在混凝土灌注樁中埋設(shè)注漿管進(jìn)行樁底和樁側(cè)壓密注漿。

雖然該工程最終未采用長短樁組合樁基礎(chǔ)，但通過對長短樁基組合有限元分析及設(shè)計研究，得出如下幾點意見：

a.四個布樁方案抗水平位移能力基本相同，長短樁承擔(dān)水平荷載不一樣，優(yōu)化方案長樁承擔(dān)的水平荷載比例最大，而短樁承擔(dān)的水平荷載比例最??；方案三長樁承擔(dān)的水平荷載比例最小，而短樁承擔(dān)的水平荷載比例最大。豎向抗位移能力優(yōu)化方案最優(yōu)，方案三最差。優(yōu)化方案中長樁的豎向力分布最均勻，承載力安全度最高，方案三中長樁的豎向力分布最不均勻，承載力安全度最低。

b.由于基礎(chǔ)四周受到水平荷載和豎向荷載要比中間大，尤其四個角的受到的荷載最大，建議長樁盡量布置在外圈，外圈布密些，內(nèi)部布樁可適當(dāng)稀疏些。同時考慮到基礎(chǔ)產(chǎn)生的水平位移較大，應(yīng)增加一定數(shù)量的短樁來分擔(dān)水平荷載。

d.在水平荷載作用下，沿荷載作用方向樁前側(cè)和后側(cè)土體的力學(xué)行為是不同的，在設(shè)計施工中應(yīng)該考慮荷載作用方向?qū)θ簶兜淖冃渭笆芰Ξa(chǎn)生的不利影響。

e.樁體上部對荷載的反應(yīng)最為敏感，受荷載的影響最為顯著。在施工中應(yīng)注意樁體與地板連接的薄弱環(huán)節(jié)，避免由此帶來不安全隱患。