浅析抗拔桩桩距对筏基基础梁内力的影响

作者；郑晓敏

   抗拔桩作为当今主流的抗浮措施，因为其经济、高效、便捷等优势得到广泛使用。通过本人之前的研究发现，在布置相同抗拔桩数量的情况下，抗压抗浮工况会有各自对应的最佳布桩方式使得基础内力最小，而布桩时桩与柱荷载作用点之间的距离是影响布桩效果的重要因素。

  为直观研究桩．柱距离对布桩效果产生的影响，本文均将抗拔桩布置在地基梁下，以岩土数值模拟软件MIDAS/GTS为工具进行计算，分析不同桩-柱距离在不同水浮力下的地基梁弯矩值。

1  工程介绍

1.1  工程概况

  某工程位于北京市朝阳区东北三环燕莎商圈，西靠天泽路，南依七彩南路和亮马河东街，裙房地上3层，建筑物高度20.0m，地下均为4层，基础埋深约18.0m；裙房及地下室采用框架剪力墙结构型式，基础型式均为现浇梁板式筏形基础。拟建工程场地地面标高为37. 32m~41. 17m，±0.00标高为38. 5m，抗浮设计水位标高可按34. OOm考虑。由于主楼层数较多，荷载较大，不存在抗浮问题，故对于抗拔桩的研究主要集中在裙房部分，基础平面见图1所示。

1.2地层条件

  根据工程地质勘察报告可知，基础底板以下，桩基础影响范围为⑥1~⑧1层，主要是以粉质粘土、细砂间隔为主。土层相关参数如表1所示。

2  抗拔桩设计

2.1  设计工况分类

  从该建筑开始施工到整个使用周期内，以柱荷载和水浮力为变量进行组合，可能遇到的工况包括：a．使用阶段水浮力最大，柱压力最大；b．使用阶段水浮力最大，柱压力最小；c．使用阶段水浮力最小，柱压力最大；d．使用阶段水浮力最小，柱压力最小；e．施工阶段无水浮力，柱压力最大。由于抗浮工况下柱荷载对于基础受力是有利因素，为保守起见，将工况b、e作为基础底板及地基梁内力的控制工况。抗浮工况荷载取值参照工况b，抗压工况荷载取值参照工况e。根据PKPM导荷结果可知，工况b（1.0恒荷载）所对应水浮力为130kPa，柱荷载为3500kN，工况e（1.0恒荷载+1.O活荷载）对应的柱荷载为8000kN。

2.2抗拔桩布置

  由于群桩效应不在本文的讨论范围之内，为避免群桩效应的产生，本文将抗拔桩桩距控制在3倍桩径以上，即1. 8m。为兼顾建模工作量以及结果的可信度，每根地基梁下每跨布置3根抗拔桩，将与柱荷载作用点最近的抗拔桩的距离分别定为0. 9m、1. 2m、1.Sm、1.8m、2.Im、2.4m，每一根地基梁下中间的抗拔桩位置不变，具体布置情况见图2。抗拔桩桩径600mm，桩长18m，底板厚600mm，满足抗冲切要求，地基梁截面尺寸为lOOOmm×1500mm，所有混凝土构件均采用C30混凝土。

3  数值计算分析

  在不影响分析目的的前提下，为方便模型建立，将分析区域确定为图1所示的矩形部分，并将其转化为7 x7跨的正方形区域，单跨跨距8.4m。为真实反映所研究区域与周围土体相互作用的情况，尽可能地消除边界效应，模型尺寸在长宽方向各取底板尺寸的3倍，即58.8×3=176. 4m，深度方向取桩长度的2~3倍，取40m，模型示意图见图3。

3.1模型假定

  1)假设同一土层在厚度上都是等厚的；2）假设桩与土均为均匀、各向同性的连续体，且桩和土的泊松比、弹性模量均不随深度及加荷过程变化；3）土为弹塑性体，桩为理想弹性体；4）假设桩的强度足够大；5）考虑基础与地基土的共同作用。

3.2  参数和本构模型的选取

  在对于实际工程的模拟中，本构模型的选取很重要，MIDAS/GTS中提供了多种本构模型，根据本文研究重点，土体及结构构件的本构模型和相关参数如表2所示。

3.3桩身刚度确定

  在桩受压时，桩体自身抗压刚度仅考虑混凝土受压，不考虑钢筋作用，计算刚度为471111kN/m；在桩受拉时，桩体自身抗拉刚度仅考虑钢筋受拉，不考虑混凝土作用，采用HRB400钢筋，按22咖28配筋，计算刚度为150556kN/m，在对桩身进行网格划分的时候，均只赋予桩身C30混凝土的属性，改变桩截面尺寸即可得到不同的桩身刚度。

3.4桩-土接触参数设置

  MIDAS/GTS中的桩单元，能较好地模拟桩与土之间的相互作用，故不必像普通有限元分析软件那样，将桩的抗拔刚度等效为弹簧约束加在底板上进行分析，因此，MIDAS/GTS能更真实地模拟桩对底板及地基梁的影响。由于实际工程抗拔桩只用作抵抗水浮力作用，并未做抗压试验，且考虑到桩一土相对位移在工况e（低水位）时很小，故在工况e（低水位）划分网格时使桩-土网格耦合，即在实际计算中桩一土位移协调，不考虑两者之间的相对位移；在考虑工况b（高水位）时，设置桩-土之间的接触，即桩单元参数的时候，经多次试算调整，使单桩抗拔的桩顶Q-s曲线模拟结果尽可能与试桩结果接近，两者对比关系如图4所示。

  由图4可知，模拟与实测的Q-s曲线存在一定差异，经过分析，认为导致模拟结果与实测结果差异的可能原因包括：1）参数的选取带有一定的经验性，不可能完全与实际情况一致；2）计算模型中未约束桩周土体竖向位移，而现场拔桩试验中桩周土体的竖向位移是被限制了的，故这个差异也会对二者Q-s曲线的拟合造成一定影响。但从二者的趋势以及具体数值来看，此时选取的桩单元参数是合理的，故将此参数运用到整体模型中进行计算并提取结果。

3.5输出分析

  计算出结果后，分别提取每种桩距在工况e和工况b下地基梁的弯矩值和变形值，并进行比较分析。

  1)符号约定

  地基梁弯矩值以梁底部受拉为正，顶部受拉为负；地基梁变形以向上凸起为正，向下凹陷为负。

  2)不同桩．柱距离对地基梁内力的影响

  从图6、图7可以看出，在相同工况下，不同的桩．柱距离会对地基梁弯矩产生较为明显的影响。从力学原理出发分析，当基础处于工况e（低水位）时，由于桩身刚度明显大于桩周围土体，故在桩数量足够的情况下，柱荷载主要由桩承担，当桩与柱距离越近，柱荷载越能直接传给桩，故对于地基梁来讲受力越明确，弯矩越小，从图6可以看到，桩一柱距离为0. 9m时的地基梁弯矩明显小于桩-柱距离为2.4m时的地基梁弯矩；当基础处于工况b（高水位）时，竖直向下的柱荷载和抗拔桩提供的抗拔力共同抵抗竖直向上的水浮力作用，故相对于水浮力而言，柱荷载及抗拔桩都起到了支座的作用，当支座间距越小，越均匀，地基梁的弯矩应该越小。从图7中可以看到，桩一柱距离为2. 4m时的地基梁弯矩明显小于桩一柱距离为0. 9m时的地基梁弯矩。图8、图9中两种工况下对应的地基梁变形值也能印证上述结论：当基础处于工况e（低水位）时，地基梁弯矩随着桩一柱距离的增加而增加，图8所示的地基梁局部弯曲也是随着桩，柱距离的增加而增加；当基础处于工况b（高水位）时，地基梁弯矩随着桩一柱距离的增加而减小，图9所示的地基梁局部弯曲也是随着桩一柱距离

的增加而减小。图9中地基梁整体位移较大，是因为土体受到桩的拉拔作用，导致在底板范围内，土体整体向上凸起，实际的桩顶与土体相对位移很小，在允许范围以内。图5所示为桩一柱距离2. 4m时整体模型竖向位移的情况。

  由以上分析可以知道，随着桩，柱距离的逐渐改变，同一工况下的地基梁弯矩变化是一个动态的过程，因此有必要通过地基梁上的特征点来研究地基梁弯矩值随着桩一柱距离变化的动态过程。

  将横坐标26.8（柱下）和31（跨中）两点的不同桩-柱距离对应的地基梁弯矩值进行提取整理，结果如图10、图11所示。

  从图10、图11可以看出，在工况e（低水位）下，地基梁在柱下和跨中的弯矩值随着桩一柱距离的增大而逐渐增大，在工况b（高水位）下，地基梁在柱下和跨中的弯矩值随着桩一柱距离的增大逐渐减小，图11中两种工况对应的地基梁弯矩值出现了交点，即为能同时满足两种工况的最佳平衡点。在实际工程中，地下水水位的高低会随着季节等因素发生改变，因此在找到该建筑从施工到整个使用周期内的最高、最低水位后，需要找到一个合适的桩一柱距离，使得既能保证两种极端工况下地基梁的安全性，又能达到最经济的效果，而通过以上方法找到的交点就是要找的最佳平衡点。

  3)不同水位对地基梁内力的影响

  从上面的讨论还可以发现，水位高低是影响选取布桩型式的重要因素：当水位较高时，抗拔桩距离柱较远是比较合理的布置形式，当水位较低时，抗拔桩距离柱较近是比较合理的布置形式。之前的讨论是以两种极端工况的地下水位来考虑的，但实际工程的长期水位是介于两者之间的，所以究竟什么样的水位属于高水位，什么样的水位属于低水位，正确的判断才能指导选择合理的布桩型式，因此还应该对水位变化进行追踪。本文以桩一柱距离0. 9m和桩一柱距离2.4m为研究对象，观察同一种布桩型式在水位逐渐升高的情况下地基梁弯矩是如何变化的。

  在进行计算的时候，以工况b（高水位）确定柱荷载以及水浮力，将水浮力分十次叠加到基础底板上，最后将结果连成光滑曲线，结果如图12、图13所示。

  从图12、图13可以看出，地基梁上无论是柱下还是跨中，桩一柱距离为0. 9m和2.4m的两条直线均在水浮力达到最大水浮力60%左右的时候产生了交点，说明在水浮力达到最大值的60%之前，抗拔桩距离柱荷载较近时地基梁弯矩较小，当水浮力达到最大水浮力的60%之后，抗拔桩距离柱荷载较远时地基梁弯矩较小。这种情况下60%的水浮力便是要找的高水位的起始点，当地下水位高度达到这个高度以后，应该将抗拔桩布置得距离柱荷载远一点。

4  结论

  1)当水位较低时，抗拔桩距离柱较近比较合理；当水位较高时，抗拔桩距离柱较远比较合理。

  2)能找到一个合适的桩·柱距离，使得地基梁在工况e、工况b下弯矩包络值最小，即是最佳平衡点。

  3)在本文讨论的条件下，最大水浮力的60%是低水位与高水位的分界点。

4)由于实际工程没有监测基础内力，故未能将模拟结果与实际情况对比，因此本文计算结果不代表工程实际情况，仅供探索规律所用。

5[摘要]在布置相同抗拔桩数量的情况下，抗压抗浮工况会有各自对应的最佳布桩方式，而布桩时桩与柱荷载作用点之间的距离是影响布桩效果的重要因素。为直观研究抗拔桩与柱荷载距离对地基梁内力的影响，本文结合某工程实例，将抗拔桩全部布置在筏基地基梁下，通过改变抗拔桩与柱荷载之间的距离，分析在抗压和抗浮两种不同工况下，桩一柱距离对筏基地基梁内力的影响，并找出最佳平衡点。