不同桩头约束及水平偏心荷载下桩基础响应分析

摘要

桩基础常常是桥梁、近海码头、海上平台、近海风机、跨海输电塔及高耸建筑物等大型建(构)筑物基础的首选基础类型。桩基础与上部建(构)筑物存在多种连接形式，使桩基的桩头约束情况存在极大差别。而桩头约束恰恰是影响水平受荷单桩变形的关键影响因素之一。设计中如果对桩头约束认识不足，可能使结构水平位移超出设计要求。上述提到的建(构)筑物主要受到来自风、波浪甚至船舶撞击的水平荷载作用。由于荷载作用位置或结构自身形状等原因，这些荷载在结构基础中会同时产生较大的扭矩。使桩基础受到水平和扭矩荷载联合作用。针对上述情况，本文主要研究内容包括桩头约束对单桩和受扭群桩响应影响及水平偏心加载群桩响应理论分析。
　　 首先，基于我国规范中采用的m法，对桩头约束对水平加载单桩响应影响进行了理论分析。讨论了不同桩头约束定量表征参数间的关系和各自特点；讨论了桩身埋入深度和自由长度对不同桩头约束表征参数间关系和单桩响应的影响。分析发现：桩头约束度九能够有效表征桩头约束情况，桩头位移和土面下桩身最大弯矩随桩头约束度λ呈线性变化，而随自由长度的变化更为明显；最大弯矩点深度随九增加而变大，随自由长度增加而减小；刚性桩和弹性桩响应随桩头约束的变化规律有明显差别。然后，提出了一套能够考虑桩头约束的水平受荷单桩非线性响应简化计算方法，能够计算桩头位移、桩头弯矩、土面下桩身最大弯矩及其埋入深度。该方法简单、便于手算，计算结果具有较好精度，能够满足工程设计要求。
　　 桩头约束对受扭群桩响应也有显著影响。本文利用旋转刚度km和约束度λ表征扭转受荷群桩的桩头旋转约束，用扭转刚度kt忽表征桩头扭转约束，通过改进已有的非线性数值模型研究桩头约束对砂土中扭转加载群桩响应的影响；对已有的离心试验结果进行反分析，得到试验群桩的桩头约束随荷载变化规律；讨论了群桩尺寸、砂土密度等因素对群桩响应的影响。
　　 水平荷载和扭矩的共同作用使群桩中存在复杂的桩-土-桩相互作用。本文建立了水平偏心加载群桩的弹性分析模型，分析了不同偏心距下桩-土-桩相互作用对群桩响应的影响。分析结果表明桩-土-桩相互作用降低群桩水平承载能力，提高群桩抗扭承载能力；桩-土-桩相互作用对不同水平方向的基桩响应有不同影响，同时也降低基桩的抗扭能力，影响外加荷载在群桩中的分配；桩-土-桩相互作用使基桩桩头剪力和位移出现不同向的现象。