摘要：针对公路桥梁中嵌岩桩与非嵌岩桩在荷载下受力性能不同，对嵌岩桩、非嵌岩桩非受动静荷载分析，发现后者在动、静荷载下更好地利用桩周土共同受力，为山区公路桥梁建设中非嵌岩桩桩基设计和施工提供一定参考。
关键词：嵌岩桩；非嵌岩桩；动静荷载
前 言：随着交通建设的飞速发展，公路建设扶贫山区经济日益增多，嵌岩桩以其沉降小、承载力高等优点，被广泛应用于山区公路桥梁建设中，但是如果片面的追求嵌岩桩，而忽略上覆土层对复合桩基的荷载传递特性和承载能力以及嵌岩桩不可避免的缺点，未必能取得预期的目的。目前就嵌岩桩承载力发挥机理研究成果来看，通常理解上的嵌岩桩为端承桩的只在桩短而粗、中长桩上覆土层由于欠固结、自重失陷及松散填土等情况下才能成立，所以，目前大多数山区仍旧满足非嵌岩桩设计及施工条件。何开盛等对大直径嵌岩桩与非嵌岩桩实际承载性状进行研究，指出何时适合设计成非嵌岩桩，但是仅在竖向荷载下对非嵌岩单桩进行了分析。目前大多数研究成果都是针对嵌岩单桩静荷载受力特性进行分析，对于复合桩基嵌岩以及动力荷载下的研究较少，并且对非嵌岩桩与嵌岩桩动静荷载下受力性能对比分析更少。
1 有限元模型建立
1.1 利用有限元软件ABAQUS进行建模，承台-桩-土-基岩简图如图1：
图2 0.2 g El Centro加速度时程曲线
表1 材料物理力学性能参数
图3 竖向荷载下的承台弯矩曲线
a 嵌岩桩与非嵌岩桩相比，由于上部荷载基本上全部由各桩均匀分担，所以承台最大正负弯矩沿长度方向交替出现，分别为-110kN/m、89.6kN/m，而非嵌岩桩沿承台方向基本为正弯矩，距2m与距4m时最大正弯矩分别为218kN/m、300kN/m，负弯矩仅出现在承台边缘附近且数值较小。
b 非嵌岩桩承台弯矩随土层厚度的增加，最大负弯矩增大，土层厚度增加一倍弯矩增幅37.6%，最大负弯矩变化不大。
2.1.2 三种情况下桩土分担比例数值分析
嵌岩桩与非嵌岩桩相比，桩端与基岩间土层的存在，使得桩土分担荷载比例发生较大变化并且土层厚度不同影响程度也不同，对于桩土荷载分担比例计算简图5所示，从右到左桩号依次为1-4号桩，承台下土体区域编号依次为a-d区。
图5 各桩及各分区土荷载分担比例示意图
c 表中各桩分别分担荷载如图7所示，嵌岩桩各桩基本上按照所分担承台长度均匀分担上部传来的荷载，边桩由于分担承台长度较其他桩小，所以荷载分担比例比其他三桩小2.5%，嵌岩桩周围土体对分担荷载及传递荷载所起作用较小；非嵌岩桩由于桩周土作用的发挥，各桩承担荷载发生变化，不仅在荷载大小上较嵌岩桩小，同一情况下各桩分担比例也不再按照分担承台宽度分配；
d 土层厚度为2m和4m时，从边桩到中桩荷载分担比例非别为19.8%、22.7%、23.4%、25.3%与20.1%、21.5%、22.0%、23.4%，可以看出夹土层厚度较小时，从边桩到中桩荷载增加幅度大，相邻桩荷载差值较大，所以夹土层较厚时各桩分担荷载较小且较为均匀，如图所示；
2.2 地震作用下桩身弯矩分析
图8 桩端嵌入基岩1m地震下桩身弯矩图
a 嵌岩桩与非嵌岩桩相比，桩基在承受动荷载时由于嵌入段的存在，会在基岩界面处桩身位置出现弯矩峰值，并且由于一端嵌入，地震作用下土体对动荷载的传递缓冲作用大大降低，这点对于复合桩基抗震极为不利，非嵌岩桩可以完全避免此情况的出现，抗震性能提高；
b 桩与承台连接处弯矩最大，同为非嵌岩桩时，夹土层厚度变化对地震下桩身弯矩会产生一定影响，土层为2m时较土层为4m时，中部3、4号桩最大弯矩增大14%、85%，外侧1、2号桩弯矩则有所降低，幅度分别为20%、43%。
结束语：
通过ABAQUS模拟山区公路桥梁设计施工过程中，嵌岩与非嵌岩复合桩基在竖向荷载及地震作用下受力特性，分析其承台及桩基静力、动力响应，得出如下结论：
1. 非嵌岩桩桩基与基岩夹土层厚度在一定范围时能较好的减小沉降，并且承台最大弯矩也较小，土层厚度越小，承台受力性质越接近嵌岩桩承台受力特性；
2. 非嵌岩桩桩周土可更好的与桩共同工作，承担荷载是非嵌岩桩10倍左右，对荷载的传递作用也显著增强，一定范围内增大土层厚度对复合桩基受力改善较为明显；
3. 非嵌岩桩在地震作用下，桩身无峰值现象出现，桩土协调工作性能较好，土体对桩基受动荷载时产生较好的缓冲作用，可有效提高复合桩基的抗震性能。
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论文作者:王波1,陈恒2
论文发表刊物:《北方建筑》2016年12月第34期
论文发表时间:2017/2/23
标签：荷载论文; 弯矩论文; 土层论文; 桩基论文; 厚度论文; 基岩论文; 受力论文; 《北方建筑》2016年12月第34期论文;