樁基約束對深水基礎封底混凝土應力影響分析

鐘 衛

（湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015）

隨著我國經濟的發展和橋梁技術的日益成熟，橋梁跨越能力不斷增強，近些年來大量跨江、跨河、跨海大橋不斷建成通車，這類大跨橋梁的共同特點是在建設過程中不可避免地要面臨大型深水基礎這個施工難題，而深水承臺基礎施工往往成為這類大跨橋梁的控制性工程。在進行深水承臺基礎施工時，常采用雙壁鋼圍堰法，該方法要求在施工中必須通過澆筑水下混凝土對圍堰進行封底止水，然后再進行承臺、墩身等其他工序施工。因此，封底混凝土是一道關乎施工安全的重要施工工序，且混凝土體量較大，封底混凝土的合理設計計算，是保證施工質量、安全，有效降低施工措施費用的重要保障。

本文以某高速公路跨江大橋為工程案例，通過計算分析比較，研究樁基約束對封底混凝土受力的影響，并以此確定樁基約束合理的模擬方法，為類似工程封底混凝土的設計計算提供參考。

1 封底混凝土

深水基礎封底混凝土的主要作用是止水、抗浮，其厚度的選取，主要考慮兩個因素，一是抗浮穩定性；二是封底混凝土應力狀況，計算主要考慮圍堰內抽水后，封底混凝土底部在水壓力作用下的應力。由于實際工程中，抗浮容易通過各種壓重措施滿足施工要求，因此，封底混凝土應力計算往往成為封底混凝土設計的關鍵因素。由于封底混凝土結構規則，受力簡單，計算的關鍵在于合理考慮封底混凝土的邊界條件。

2 封底混凝土應力計算方法

封底混凝土應力計算一般有理論公式法和有限元分析法兩種方法，理論公式法一般是將封底混凝土簡化為單向板或雙向板進行計算。該方法的優點是計算簡單便捷，缺點是將實際結構簡化為梁進行計算，計算與實際受力存在差異，更重要的是無法準確考慮樁基約束對封底混凝土的影響。

有限元分析法是采用有限元分析軟件進行封底混凝土的分析計算，該方法的優點是，計算可以充分考慮實際結構受力情況和約束條件，計算精度高，計算結果直觀。

3 有限元分析計算

3.1 工程概括

某高速公路跨江大橋采用雙幅設計，上部為主跨130 m連續梁，下部采用實體墩，基礎采用承臺接樁基礎結構，承臺長、寬均為13.6 m，厚4.5 m，單幅承臺下接9根直徑2 m的樁基礎。該橋設計水位為H1=27 m，承臺頂高程為H2=8.3 m，承臺基礎采用雙壁鋼圍堰施工，封底采用4.5 m厚C30混凝土，鋼護筒直徑采用2.2 m，承臺及圍堰平面如圖1所示。

圖1 承臺及圍堰平面示意圖/cm

3.2 有限元計算模型

采用大型通用有限元分析軟件Ansys對封底混凝土進行計算模擬。

混凝土采用solid45實體單元，根據對稱性，選取1/2結構進行建模。

坐標系：X、Y、Z軸分別為封底長邊、短邊和厚度方向。

荷載情況：封底混凝土結構自重、水壓力。

邊界條件：封底混凝土1/2結構中心采用對稱約束，其余三個側面采用豎向支撐，頂、底為自由面。

根據實際情況，樁基礎對封底混凝土存在約束作用，此約束作用為鋼護筒對封底混凝土產生的握裹力，當水壓力產生的向上反力小于握裹力時，則考慮施加約束；當水壓力產生的向上反力大于握裹力時，封底混凝土與樁基礎將發生相對位移，則約束失效。

為了研究樁基礎約束作用對封底混凝土受力的影響，進行以下3種情況模擬：①不考慮樁基礎對封底混凝土的約束作用，有限元模型如圖2所示；②考慮樁基礎對封底混凝土的約束作用，以約束形式施加，有限元模型如圖3所示；③考慮樁基礎對封底混凝土的約束作用，以荷載形式施加，根據相關文獻研究結果封底混凝土與樁基鋼護筒之間的握裹力系數一般取0.15～0.2 MPa，本文取0.15 MPa，有限元模型如圖4所示。

圖2 模型1（不考慮樁基約束作用）

圖3 模型2（考慮樁基約束，施加約束）

圖4 模型3（考慮樁基約束，施加荷載）

3.3 計算結果

各模型計算結果如圖5～8所示。

圖5 模型1應力結果

圖6 模型2應力結果

圖7 模型2應力結果

圖8 封底混凝土與樁基接觸面的應力

由圖可知，模型1封底混凝土最大應力為1.11 MPa，最大應力位于封底混凝土頂面中心位置，與按雙向板理論公式法計算結果1.20 MPa接近；模型2封底混凝土的最拉應力為0.29 MPa，最大應力位于封底混凝土與鋼護筒接觸面附近區域，而頂緣混凝土最大拉應力僅為0.08 MPa，小于單向板理論公式法計算結果0.35 MPa，原因在于單向板計算跨徑取斜向兩根樁間中心距偏大；模型3封底混凝土的最大應力為1.21 MPa，最大應力位于封底混凝土底緣，而封底混凝土總體為頂緣受壓、底緣受拉狀態，與模型1、模型2應力正負趨勢相反，說明握裹力模擬所施加荷載偏大，超過本工程實際握裹力的平均值。由圖8可以看出，封底混凝土與鋼護筒接觸面的局部最大應力為0.185 MPa，而大部分應力均處于較低水平，經計算，接觸面單位面積反力為0.08 MPa，約為施加荷載 （0.15 MPa） 的50%。

由此可見，不同約束對封底混凝土受力影響較為明顯，將直接影響到混凝土厚度的選取結果。由計算分析可知，采用模型1的方法進行設計，將使封底混凝土厚度取值過于保守， 同時會使圍堰高度增加， 經濟性較差。采用模型3的方法，握裹力的取值及分布無法確定，計算容易導致與實際不符。模型2的方法合理考慮樁基對封底混凝土的約束作用，約束與工程實際相符，該方法得到混凝土的拉應力計算值較低，同時可以計算得到封底混凝土與樁基間的相互作用力，用以判斷封底混凝土與樁基之間是否發生相對位移，約束是否可靠，從而保證了設計的安全性和經濟性。

4 結語

本文以某跨江大橋為工程案例，通過有限元模擬，研究分析了樁基約束條件對封底混凝土受力的影響，得出以下結論：

（1） 相比理論公式法，有限元分析法可以模擬樁基對封底混凝土的約束作用，進而更準確地模擬封底混凝土的實際受力。

（2） 不考慮樁基對封底混凝土的約束作用，計算結果偏大，設計偏保守，將會大大增加封底混凝土厚度及圍堰高度，經濟性較差。

（3） 通過施加豎向荷載的方法模擬樁基對封底混凝土的約束，由于荷載大小及分布難以確定，可能導致計算結果錯誤，設計不建議采納。

（4） 通過施加豎向約束的方法模擬樁基對封底混凝土的約束，除了驗算封底的應力是否滿足要求，還應驗算樁基礎與封底混凝土之間的受力是否滿足要求，以確保約束可靠有效，由此得到的計算結果，可以兼顧結構的安全性和經濟性。