Refined value of lateral resistance coefficient of pile foundation in soft soil areas
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摘要: m法是横向受荷桩桩身变形和内力分析的一种常用方法。在没有试桩的条件下,m法中横向抗力系数的比例系数m值只能根据地基土的类型等从规范推荐的较大范围中取值,对工程经验依赖性强,具有较大的随机性。将沪通铁路沿线主要软土按压缩特性分为11亚类,通过有限元模拟分析了水平力H、泥面(桩顶)水平位移和土体压缩指数
等对m值的影响作用;经统计分析建立了m值与 , 间的拟合关系式,并以现场水平静载试验对其进行校核验证。结果表明:m值随H, 和 的增大而减小,且衰减速度不断减小;桩径D对m值有一定影响,现有桩径水平中D=1.25 m最佳;现场试验修正后的m值拟合关系计算可靠,且能依据土体变形参数精细化取值。 Abstract: The m method is a common method to analyze the deformation and internal force of laterally loaded piles. In the absence of test piles, the ratio coefficient m value of lateral resistance coefficient in the m method can only be taken from a wide range recommended by the relevant code according to the type of foundation soil, etc., highly dependent on engineering experience and random. Main soft soils along Shanghai-Nantong Railway are classified into 11 subcategories according to the compression characteristics. The influences of horizontal force H, horizontal displacementof mud surface (pile top), pile diameter D and soil compression index on m value are analyzed through the numerical test method. The fitting relation between m and and the relation between m and are established through statistical analysis, and are verified by the field horizontal static load tests. The results show that the m value decreases with H, and , and the attenuation speed decreases continuously. D has a certain influence on the m value, corresponding to the best diameter of pile D=1.25 m. The fitting formula for m value corrected by the field tests is reliable and can be fine-tuned according to the deformation parameters of soils. -
Keywords:
- soft soil area /
- pile foundation /
- m value /
- refined value /
- fitting formula
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0. 引言
软土具有低强度、高压缩性等特征,且广泛分布于中国沿海地区。修建于软土地区的桥梁桩基在水平荷载作用下具有非常复杂的桩土相互作用,弹性地基反力m法因图示简单,计算简便等优势成为分析该问题的常用方法之一[1-3]。m法中横向抗力系数的比例系数m值直接决定了计算结果的正确与否,其确定途径主要为水平静载试验测定或按规范推荐取值,但现场试验耗时长,成本高;规范则均是根据地基土的类别给出较大取值范围[4]。大量工程实践表明,同一类土的m值并不固定,荷载水平,允许位移和桩型、桩径等对其均有影响[5]。因此,如何结合工程实际获取m值成为研究者们所关注的问题。
戴自航等[6]证明数值模拟应用于多层地基中水平载荷桩的设计计算与分析,结果可靠且效率更高。劳伟康等[7]建立了m值与泥面处位移Y0的指数关系式,统计分析了不同土质条件下相应于某一大位移时m值的取值范围。吴锋等[8]认为m随Y0增大而呈指数衰减的规律,建立了m值的经验公式;运用有限元模拟获取了结合桩身节点位移迭代确定m值的计算方法。推力桩的综合刚度原理和双参数法能解决单一参数不足以反映复杂工程性质的问题,但其参数确定需以桩基水平载荷试验为基础[9]。邓涛等[10]将地基土体简化为理想弹塑性体,提出水平受荷单桩的简明弹塑性计算方法。数值模拟中有限元法在分析m值时具有限制条件少、与解析解吻合度高等特点,现场试验可对其结果进行校正,以保证研究结论的可靠性[11-12]。显然,m值的取值问题虽已有较多研究,但对现场试验仍存在明显依赖,且难以通过简单计算获取精确值,而有限元模拟与现场水平载荷试验相结合的方法在m值研究上具有一定优势。
以沪通铁路多座特大桥梁桩基础为背景,将沿线主要软土按压缩系数的差异分为11亚类,采用三维有限元方法分析了水平力H、泥面(桩顶)水平位移
Y0 和土体压缩指数Cc 等参数对m值的影响,初步建立软土地区m值与横向受荷桩基主要参数间的拟合关系式;通过单桩水平静载现场试验校正,获得了能精细化确定m值的拟合关系式。该式计算简单且无需进行现场大型试验,能为沪通铁路沿线软土地区桩基设计提供参照,便于推广。1. 单桩水平静载试验数值模拟
沪通铁路沿线的主要软土为第四系全新统海积层(
Qm4 )中的淤泥质粉质黏土,其特征为灰色,含云母、有机质、夹薄层粉砂,局部夹有贝壳碎屑。取七浦塘特大桥等5处桥址区软土进行室内土工试验。结果表明该层软土的天然含水率均超过30%,呈软塑—流塑状态;压缩系数av 在0.28~2.03 MPa-1,具有高压缩性;土样完全扰动后强度大幅降低,灵敏度高。综上,该层软土工程性质差,修建桥梁桩基具有较高难度,桥址区地层概化如图1。据此,可建立相应模型对单桩水平静载试验进行数值模拟分析。1.1 有限元模型
建模时考虑对称性,取半结构进行计算,桩长37.5 m,软土层厚25 m,下部砂土层厚39 m,以消除边界效应对桩的力学性状影响[13-14]。采用ABAQUS中的C3D8实体单元离散地基土和桩基,采用渐变网格划分模式以提高桩基附近应力集中区的计算精度。模型四周采用法向约束,底部采用三向固定约束,顶面自由,半结构网格模型如图2。
室内土工试验揭示出软土压缩系数
av 与压缩指数Cc 之间近似存在的线性相关关系,这为使用剑桥模型计算分析奠定了基础,如图3。修正剑桥模型(Modified Cam-Clay)能较好地描述黏性土在破坏前的非线性和依赖于应力水平或路径的变形行为,能更好地反映实际情况。因此,本文数值模拟中采用MCC模型对软土进行模拟,合理有效且方便进行[12]。砂土采用莫尔库仑弹塑性模型模拟。考虑桩土间的张开及滑移力学行为,桩土界面采用接触面单元模拟,其法向力学行为服从硬接触模型,剪切力学行为采用库仑摩擦模型,即罚函数,摩擦系数
μ =0.27。MCC模型所需的原始压缩曲线斜率λ 、回弹曲线斜率k和临界状态线的斜率M可通过常规三轴试验测定。1.2 材料参数及m值计算
数值模拟中,软土压缩参数
λ 和回弹参数k的比值可取为λ /k=10[15]。将沿线不同位置处淤泥质粉质黏土按标准压缩系数av 的大小排序后可分为11亚类,依次编号Mat1~Mat11见表1。表 1 沿线主要软土亚类划分Table 1. Classification of main soft soil subclasses along line材料编号 压缩系数 av /MPa-1压缩指数 Cc 压缩参数λ 回弹参数k Mat1 0.280 0.102 0.044 0.0044 Mat2 0.455 0.158 0.069 0.0069 Mat3 0.630 0.214 0.093 0.0093 Mat4 0.805 0.270 0.117 0.0117 Mat5 0.980 0.326 0.142 0.0142 Mat6 1.155 0.381 0.166 0.0166 Mat7 1.330 0.437 0.190 0.0190 Mat8 1.505 0.493 0.214 0.0214 Mat9 1.680 0.549 0.239 0.0239 Mat10 1.855 0.605 0.263 0.0263 Mat11 2.030 0.661 0.287 0.0287 根据室内土工试验结果,确定有限元模型中各材料的物理力学参数如表2,3所示。
表 2 修正剑桥模型参数(软土)Table 2. Material parameters for MCC (soft soil)材料 重度 γ /(kN·m-3)初始孔隙比 e0 CSL斜率M 压缩参数 λ 黏土 18.5 1.07 0.566 0.044~0.287 表 3 中砂与桩基物理力学参数Table 3. Physico-mechanical parameters of medium sand and pile foundation材料 重度 γ /(kN·m-3)模量E/MPa 泊松比 ν 摩擦角 φ /(°)中砂 20.5 36 0.25 35 桩基 24.0 30000 0.20 — 取桩基设置前地基土体的应力平衡状态为初始状态,采用有效重度进行计算。初始地应力场侧压力系数
K0 取为0.7,土体视作正常固结土。桩基浇筑产生的荷载按初始应力状态考虑,水平力H施加于桩顶,由小到大逐级加载。可求Mat1~Mat11亚类软土中桩径分别为1.00,1.25,1.50 m时的泥面水平位移Y0 。绘制水平H和Y0 与地基土横向抗力系数的比例系数m之间的关系曲线后,m值可按下式计算:m=(vy⋅H)5/3b0Y05/3(EI)2/3。 (1) 式中 桩身抗弯刚度EI取决于桩身材料及截面特性;桩身计算宽度
b0 取决于桩径及截面形式,对于D≥1.00 m的圆形桩,b0 =0.9D+1;桩顶水平位移系数vy 需先对桩的换算埋深αh (h为桩的入土深度)按下式进行试算,α=(mb0EI)1/5。 (2) 表 4 桩顶水平位移系数vy 取值Table 4. Values of coefficient of horizontal displacement of pile topvy αh ≥4.0 3.5 3.0 2.8 2.6 2.4 vy 2.441 2.502 2.727 2.905 3.163 3.526 1.3 m值计算分析
(1)水平力H、泥面水平位移
Y0 与m值的关系Mat1~Mat11在不同桩径下H,
Y0 与m值间关系的规律一致,以桩径1.25 m为例,绘制如图4。显然,随H及Y0 的增大,m值均减小,且衰减速度不断减小。与已有研究所得规律一致[7]。(2)桩径D与m值的关系
沪通铁路桥梁桩基的桩径D主要为1.00,1.25,1.50 m。以
Y0 =6 mm为例,绘制Mat1~Mat11在Y0 一定时D与m之间的关系如图5。可知,Mat1~Mat11的m值差异较大,即土体性质的差异对m值有较大影响。结合表1可知,D相同时,压缩系数av 越大,m值越小。已有3个桩径水平下,各亚类黏土中m值随D的增大均呈现先减小后趋稳的规律。(3)土体性质与m值的关系
MCC模型中,压缩指数
Cc 为直接相关参数。故以Cc 为指标分析土体性质与m值的关系,仍以Y0 =6 mm为例,如图6。易知,m值随Cc 的增大呈非线性衰减,且Cc 较小时,m值衰减更快。图6中D=1.25 m和D=1.50 m所对应的曲线几乎重合。根据图5,6,可知3个桩径水平中,取D=1.25 m来探讨m值受各因素的影响最为合理。综上,m值的各影响因素中,水平力H、泥面水平位移
Y0 和压缩指数Cc 的影响更为显著,桩径D=1.25 m时可最大限度地消除桩径影响,H与Y0 间又存在直接关联。因此,m值的重要影响参数可归为Y0 和Cc 两个,若能建立这两个因素与m值间的定量关系,则可根据工程实际进行m值的精细化取值。2. 单桩水平静载现场试验
为便于后续对m值数值分析结果进行修正,选取七浦塘特大桥#301和#460测桩,跨宝钱公路特大桥#192和#193测桩共4处桥墩桩基进行单桩水平静载现场试验,桥址区如图7。
现场试验可得4根测试桩的m值与H及
Y0 之间关系如图8。可知,各桩m值均随H及Y0 的增大而减小,且衰减速率不断减弱,最终趋于某一临界m值,与数值模拟所得规律相同,且符合常规认知。此外,2处桥址区地层中的主要特殊土均为第四系全新统海积层(
Qm4 )中的淤泥质粉质黏土,但#2桥址区测桩的m值显著高于1#桥址区测桩,即某片区同类土的实测m值存在较大差异,符合本文研究需求。各测桩曲线吻合度较高,现场测试数据能够相互印证,具有一定可靠性和设计参考价值。3. m值拟合关系式
3.1 m值关系式拟合
基于数值模拟结果,取
Y0 =6 mm,D=1.25 m对应的m值在全对数坐标系中进行拟合,可知lgm与lgCc 间存在线性关系,如图9。拟合关系式为lgm=2.853−0.669lgCc。 (3) 通过线性内插可得泥面水平位移
Y0 在特定条件下Mat1~Mat11对应的m值,类比Y0 =6 mm可获取全对数坐标下m值与Cc 间的拟合关系式。Y0 =1 mm时,lgm=2.585−0.966lgCc ;Y0 =2 mm时,lgm=2.571− 0.906lgCc ;Y0 =3 mm时,lgm=2.578−0.831lgCc ;Y0 =4 mm时,lgm=2.582−0.767lgCc ;Y0 =5 mm时,lgm=2.584−0.714lgCc ;Y0 =6 mm时,lgm= 2.583−0.669lgCc ;Y0 =7 mm时,lgm=2.580− 0.623lgCc ;Y0 =8 mm时,lgm=2.577−0.599lgCc ;Y0 =9 mm时,lgm=2.572−0.571lgCc ;Y0 =10 mm时,lgm=2.567−0.546lgCc 。易知,特定
Y0 条件下m值与Cc 间的拟合关系式可统一表达为y=a−b⋅x 的形式,lgm=a−b⋅lgCc。 (4) 为便于应用,可将
Y0 置于式(4)中,即建立m值与Cc 和Y0 间的统一表达式。分别绘制式(4)中系数a、b与Y0 间的关系曲线如图10。显然,a的取值较为固定,受Y0 影响可忽略,拟合关系式中可将a值取为平均值,即ˉa =2.578。系数b随Y0 的增大而减小,采用指数形式拟合可得b与Y0 间的关系为b=0.371+0.692e−0.138Y0。 (5) 综上,可得m值与
Cc ,Y0 间的统一关系为lgm=2.578−(0.371+0.692e−0.138Y0)lgCc。 (6) 3.2 m值拟合关系式修正
对比现场试验结果发现,式(6)计算所得m值明显小于规范推荐值,如
Y0 =6 mm时,规范[17]推荐m值取值范围为3000~5000 kN/m4,式(6)计算结果约500~1500 kN/m4。前文可知,本文数值建模方法合理有效,故应为模型采用的扰动土体参数与现场原状土体参数之间存在差异导致的拟合关系式计算值偏小。根据单桩水平静载现场试验对式(6)修正,可解决这一问题。修正后的m值拟合关系为lgm=10.311−(1.483+2.769e−0.138Y0)lgCc, (7) 式中,泥面水平位移
Y0 可按设计要求的水平允许位移拟定,压缩指数Cc 由土样的无侧限压缩试验测定。修正后4测试桩现场试验实测值与式(7)计算值对比如图11。显然,式(7)计算值与实测值吻合度较高。
4. 拟合关系式的验证
式(7)具有可根据土体变形参数精细化确定m值的优势,且各参数可通过较简单方法获取,无需进行大规模的现场试验。为进一步验证式(7)在实际工程应用中的适用性,以沪通铁路沿线软土Mat4~Mat11为例,按式(7)计算其在
Y0⊆[1,10] (mm)时相应的m值,如图12。可知,式(7)计算值较好地包含于规范推荐区间内,即修正后的m值拟合关系式合理有效。5. 结论
(1)随着水平力H以及水平位移
Y0 的增大,m值呈非线性规律衰减,H或Y0 越小,m值越敏感;桩径D的变化对m值有一定影响;土体性质对m值影响显著,土体压缩指数Cc 越大,m值越小。(2)m值与土体压缩指数
Cc 以及泥面水平位移Y0 之间存在拟合关系式,根据现场单桩水平静载试验结果对拟合式进行校正,最终得到可根据土体变形参数精细化确定m值的拟合关系式。式中参数易于获得,所得计算值基本分布于规范推荐范围,可为沿线地区软土基础工程的m值精细化提供途径,其他软土区亦可按此方法建立相应的拟合关系式。 -
表 1 沿线主要软土亚类划分
Table 1 Classification of main soft soil subclasses along line
材料编号 压缩系数 /MPa-1 压缩指数 压缩参数λ 回弹参数k Mat1 0.280 0.102 0.044 0.0044 Mat2 0.455 0.158 0.069 0.0069 Mat3 0.630 0.214 0.093 0.0093 Mat4 0.805 0.270 0.117 0.0117 Mat5 0.980 0.326 0.142 0.0142 Mat6 1.155 0.381 0.166 0.0166 Mat7 1.330 0.437 0.190 0.0190 Mat8 1.505 0.493 0.214 0.0214 Mat9 1.680 0.549 0.239 0.0239 Mat10 1.855 0.605 0.263 0.0263 Mat11 2.030 0.661 0.287 0.0287 表 2 修正剑桥模型参数(软土)
Table 2 Material parameters for MCC (soft soil)
材料 重度 /(kN·m-3) 初始孔隙比 CSL斜率M 压缩参数 黏土 18.5 1.07 0.566 0.044~0.287 表 3 中砂与桩基物理力学参数
Table 3 Physico-mechanical parameters of medium sand and pile foundation
材料 重度 /(kN·m-3) 模量E/MPa 泊松比 摩擦角 /(°) 中砂 20.5 36 0.25 35 桩基 24.0 30000 0.20 — 表 4 桩顶水平位移系数
取值 Table 4 Values of coefficient of horizontal displacement of pile top
≥4.0 3.5 3.0 2.8 2.6 2.4 2.441 2.502 2.727 2.905 3.163 3.526 -
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