有限元模擬褥墊層厚度對新建樁基的影響

高富春，甕文芳，張　鵬

(1.華電福新能源股份有限公司，北京　100031；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安　710065)

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有限元模擬褥墊層厚度對新建樁基的影響

高富春1，甕文芳2，張鵬2

(1.華電福新能源股份有限公司，北京100031；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安710065)

某基礎改造項目擬在原位置施工PHC(預應力高強混凝土)樁基礎，未完全拆除的P&H(預應力混凝土)基礎會對新建樁基的豎向受力產生影響。文章通過有限元方法，對該問題進行模擬，結果表明：P&H基礎的存在會使新建樁所受豎向壓力減小，拔力增大，對樁基受力十分不利。為消除此影響，在P&H基礎與新建承臺之間鋪設一定厚度的褥墊層。通過有限元模擬，計算不同墊層厚度下新建樁基豎向受力值，并與改造設計的承載力特征值比較，以確定合適的墊層厚度。

P&H基礎；協調作用；樁豎向受力；褥墊層;厚度；有限元模擬

0　前　言

在剛性基礎與相對柔性基礎組成的復合地基中，一般通過設置褥墊層以達到兩者協調變形，共同承擔上部荷載的目的。褥墊層的原理，基于Tokoy于1997年所做的樁與承臺共同作用的試驗，當樁與承臺留有空隙，荷載只通過承臺傳給地基，沉降超過5 mm時，樁才參與工作。李小青等[1-2]通過探究褥墊層設置的必要性和調節作用，從變形協調的角度分析了墊層發揮作用的原因，并給出褥墊層厚度的計算方法。復合地基中剛性和柔性樁基分擔荷載的比例與樁的剛度緊密相連，曹衛平等[3]根據豎向荷載下樁的變形特征，基于最小勢能原理，推導樁的抗壓剛度計算公式，即樁頂發生單位位移時需要施加在樁頂的豎向荷載大小。

本文基于實際工程，將墊層發揮作用的原理，應用在P&H(預應力混凝土)基礎和新建PHC(預應力高強混凝土)樁的協調工作中。通過ABAQUS有限元模擬計算驗證墊層設置的必要性，并確定合適的墊層厚度，使新建樁基豎向力滿足設計承載力要求。

1　工程概況

某工程為風機基礎改造工程，原基礎采用P&H基礎，鑒于基礎螺桿陸續出現無規則斷裂，對采用此種基礎進行改造設計。改造方案為樁基礎重新設計施工。由于征地限制，只能拆除上部P&H基礎，在原機位采用群樁基礎混凝土承臺的基礎型式，并在其上澆筑承臺，周圍新建PHC預應力混凝土管樁。承臺直徑為18 m，PHC管樁布置直徑16.8 m。改造設計如圖1所示：

采用CFD風力工程計算軟件設計計算時，僅能計算布置在承臺外圈的PHC樁，不能考慮原P&H基礎的影響。實際上，改造后原P&H基礎仍位于承臺中心底部，其剛度相對于新建PHC樁較大，在群樁內力分配中的作用不可忽略。如前文所述，可以通過鋪設褥墊層削弱P&H基礎作用。本文通過計算P&H基礎以及褥墊層厚度對新建樁基豎向受力的影響，確定合適的墊層厚度，作為設計計算的補充和參考。褥墊層采用級配碎石土，碎石土參數及配比參考文獻[4]和褥墊層的相關文獻[5-15]。

2　有限元建模計算

本文用ABAQUS有限元軟件對新建基礎與原P&H基礎建模分析，研究改造后P&H基礎以及褥墊層對新建樁基內力的影響，以確定合適的墊層厚度。在研究新建樁豎向受力的變化時，為簡化計算，對新建樁的定義引入樁抗壓剛度[3]的概念。

參數選擇：承臺、P&H基礎、新建PHC樁和墊層均采用三維實體單元，墊層彈性模量取50 MPa。承臺采用C40混凝土，彈性模量Ec= 3.25×104MPa，新建PHC樁采用Spring彈簧單元代替實體樁基，每根彈簧對應1根樁，彈簧剛度取樁抗壓剛度[3]。P&H基礎和承臺之間接觸定義為硬接觸(hard contact)，受壓時傳遞壓力，出現受拉區時承臺從P&H基礎上脫開。由于ABAQUS模型中彈簧單元為圖2中凸出部分，如圖2所示。首先分別計算不考慮P&H基礎作用、考慮P&H基礎直接作用在承臺上和考慮P&H基礎作用在褥墊層上，之后計算當墊層厚度在100～800 mm范圍內變化時相對應新建PHC樁豎向受力的變化。前者研究無褥墊層時P&H基礎對新建樁基豎向受力的影響；后者通過比較，確定合適的褥墊層厚度。

由于機型不同，基礎上加載荷載分為2種，即機型1和機型2載荷。本模擬主要考慮起控制作用的極端荷載工況下的彎矩Mxy、豎向力Fz和水平力的作用Fx，見表1。

表1　不同類型的風機作用在基礎上的載荷表

3　計算結果及分析

由于計算的工況類型和改造基礎個數均比較多，本文僅列出10臺機位計算結果。據此分別討論P&H基礎以及褥墊層厚度對新建樁內力的影響，確定合適的褥墊層厚度。

3.1考慮P&H基礎對樁內力的影響

以10號機位(2類荷載，21根樁)為例，分別采用：① 不考慮P&H基礎作用;② P&H基礎直接作用在承臺上;③ 鋪設100 mm厚的褥墊層；④ 鋪設450 mm厚的褥墊層。4種情況進行計算，結果見表2，10號機位樁豎向受力如圖3所示。樁豎向力壓力為負值，拔力為正值，橫坐標為承臺21根樁分別對應的樁編號，橫坐標軸以上的點表示受拔力的樁。當不考慮P&H基礎作用時，拔力較小，大部分樁均處于受壓狀態，滿足承載力要求；當考慮P&H基礎直接作用在承臺上時，拔力最大值由236.5 kN增大到742.4 kN，大于設計抗拔承載力特征值520 kN(見表3)，不能滿足設計要求；為消除P&H基礎的影響，在P&H基礎與承臺之間鋪設一定厚度的褥墊層，鋪設100 mm厚的褥墊層后拔力降至623.5 kN，鋪設450 mm厚的墊層顯著降低至401.9 kN，小于抗拔承載力特征值，滿足設計要求。其余機位基礎計算結果均呈現相同的趨勢。

P&H基礎相對于新建PHC樁剛度大得多，分擔的上部豎向荷載也相對較大，一旦發揮作用，PHC樁豎向壓力就會小很多。P&H基礎位于中心，與承臺之間沒有直接連接，大部分彎矩仍由PHC樁承擔。因此，豎向力和彎矩作用下，受拉區樁出現拔力或拔力增大，抗拔承載力不足的問題凸顯。

表2　3種不同情況下PHC樁豎向力計算結果表　/kN

表3　不同褥墊層厚度下PHC樁豎向力計算結果表　/kN

褥墊層的鋪設，可以使PHC樁內拔力較無褥墊層時明顯減小，此處褥墊層通過自身變形起到協調作用，削弱P&H基礎的影響，使新建PHC樁分擔更多的豎向荷載。

3.2褥墊層厚度的確定

由表3的計算結果可以看出，隨著褥墊層厚度的增加，新建PHC樁拔力減小，壓力增大。上述褥墊層作用越來越明顯，PHC樁受壓樁數以及最大豎向壓力增大，相應受拔樁數和相應最大拔力減小,見圖4。受力狀態在逐漸向不考慮P&H基礎作用時的受力狀態回歸靠攏。從安全性和經濟性兩方面考慮，設計抗壓和抗拔承載力特征值均得到滿足時對應的褥墊層最小厚度，為褥墊層的合適厚度。墊層厚度應滿足規范對褥墊層厚度的要求，且應考慮褥墊層變形引起的樁體刺入深度等相關因素。綜合以上分析，褥墊層厚度取400～500 mm為宜。見圖4。

4　結　語

P&H基礎剛度較大，留在原位會對承臺及周圍基樁造成較大的影響，使設計計算與實際存在差距，對拔力的影響尤其明顯，可能導致其不滿足設計要求。通過鋪設一定厚度的褥墊層，可以削弱P&H基礎對新建PHC樁豎向受力的影響，且削弱程度隨褥

墊層厚度的增大而加強，逐漸趨近于不考慮P&H基礎作用考慮的受力狀態。綜合考慮多方面因素考慮，建議選取400～500 mm厚的碎石土作為褥墊層，使樁的受力達到設計允許的范圍。

圖3　P&H基礎對新建樁豎向受力的影響圖

圖4　褥墊層厚度對新建樁豎向受力影響圖

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Finite Element Based Simulation of Impacts by Bedding Cushion Thickness on Newly-built Pile Foundation

GAO Fuchun1, WENG Wenfang2, ZHANG Peng2

(1. Huadian Fuxin Energy Co., Ltd., Beijing100031,China; 2. Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)

PHC pile foundation is proposed to construct in which P&H foundation is not removed completely and may impact the vertical action of the newly-built pile foundation. By application of the finite element method, in the paper, the impact is simulated. The simulating result shows that the existing foundation may result in decrease of the vertical pressure of the newly-built piles and increase the uplift action. This is quite unfavorable to the foundation action. To eliminate these impacts, a bedding cushion with certain thickness between the P&H foundation and the newly-built pile cap is proposed to place. Through the finite element simulation, the vertical action of the newly-built pile foundation with different bedding cushion thickness is calculated. This calculating value is compared with the designed value of the bearing capacity so as to determine the thickness of the bedding cushion.Key words:P&H foundation; coordination function; pile vertical action; bedding cushion; thickness; finite element simulation

1006—2610(2016)04—0074—04

2016-05-10

高富春(1971- )，男，陜西省渭南市人，工程師，主要從事新能源領域建設與研究工作.

TU473.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.019