桩土相互作用计算报告

1、云浮至阳江高速公路罗定至阳春段（S02合同段） 独桩独柱桥墩桩基桩土作用弹塑性仿真分析云浮至阳江高速公路罗定至阳春段（S02合同段）独桩独柱桥墩桩基桩土作用弹塑性仿真分析计算书 设计部主任: 计算: 日期: 复核: 日期: 项目负责人: 日期: 审核: 日期: 广东省公路勘察规划设计院有限公司2010年10月目 录1.1 模型及边界条件31.1.1 分析目标31.1.2 采用软件31.1.3 模型41.1.4 材料性质41.1.5 荷载41.1.6 单元选择41.1.7 边界条件51.2 分析结果51.2.1 嵌岩深度2倍桩直径分析结果51.2.2 嵌岩深度3倍桩直径分析结果81.2.3 裸岩

2、嵌岩深度3倍桩直径分析结果111.2.4 嵌岩深度4倍桩直径分析结果141.2.5 仅竖直力作用桩基分析结果171.3 结论181.1 模型及边界条件1.1.1 分析目标本项目设计有大量独桩独柱墩，桩基承受轴向力同时承受巨大的弯矩；然而，灰岩地区岩石埋深浅或岩石裸露，如何确定桩基础经济合理及安全可靠的的嵌岩深度，保证桩土应力长期稳定及桩顶位移满足上部结构的使用要求并具有一定的超载能力，规范及相关文献未见其解。分析的目标：考虑轴向和侧向加载下，研究不同嵌岩深度桩基附近岩土的塑性发展状态、桩周土及桩底土的应力状态、桩顶的位移，以确定桩基础经济及合理的嵌岩深度。1.1.2 采用软件采用FLAC 3D

3、岩土力学有限元软件进行空间弹塑性仿真分析。FLAC 3D美国Itasca咨询公司开发，作为世界范围内应用最广泛的通用岩土工程数值模拟软件，在全球138个国家应用于设计计算及科学研究，在国际岩土工程学术界及工业界得到广泛赞誉。FLAC3D中的本构模型及其应用：1.1.3 模型桩直径2.2 m，桩地面以上部分高10m,嵌岩深度分为2倍桩直径4.4 m，3倍桩直径6.6 m,4倍桩直径8.8 m。第一层粉质粘土厚3m,第二层微风化灰岩1厚4 m，第三层微风化灰岩2厚8 m。1.1.4 材料性质粉质粘土的材料性质取用垌心大桥QZK225钻孔土工检测所得数据。灰岩的材料性质根据垌心大桥QZK229钻孔土

4、工检测所得数据，并参考了岩体力学（刘福佑）里面常见岩体的强度指标值。考虑岩石与岩体的力学性能略有不同，岩体的力学受裂隙及岩石各向异性影响，离散性较大及力学不均匀性大，因此岩石强度指标值取参考范围内偏小值。输入的材料性质如表1所述。表1 材料性质指标C30混凝土桩粉质粘土微风化灰岩1微风化灰岩2物理指标密度(kg/m3)2600192026002700弹性指标杨氏模量（MPa）300006.593000040000泊松比0.200.300.200.20体积模量（MPa）166704.731667022220剪切模量（MPa）125002.601250016670强度指标粘聚力（MPa）0.014

5、22.3内摩擦角(度)21.33538抗压强度（MPa）3025381.1.5 荷载MIDAS分析得到桩顶设计内力为轴向力（Nd）13000 kN，弯矩（Md）8000 kN·m；考虑岩土离散性较大故设计弯矩取2倍安全系数,设计弯矩取值16000 kN·m。对桩顶施加一个13000 kN的轴向荷载；为了模拟设计弯矩，建模分析时取桩顶高出地面10 m,然后对桩顶施加一个1600 kN水平荷载。1.1.6 单元选择桩基础采用弹性体单元。桩体和岩土之间通过设置粘-弹-塑性接触面单元连接。土及岩石采用粘-弹-塑性体单元。1.1.7 边界条件模型的顶部，z=0，是一个自由面。模型的底

6、部，z=-15m，固定于z-方向。x=15m，x =-15m，y =-15m，y =-15m处模型侧面上施加滚支边界条件。分析工况为了分析不同嵌岩深度对结构的影响共考虑了4种分析工况:第1种工况为嵌岩深度2倍桩直径分析。第2种工况为嵌岩深度3倍桩直径分析。第3种工况为裸岩嵌岩深度3倍桩直径分析。第4种工况为嵌岩深度4倍桩直径分析。1.2 分析结果1.2.1 嵌岩深度2倍桩直径分析结果图1 分析模型图1所示为嵌岩深度2倍桩直径分析模型，第一层为粘质粉土层厚度3 m，第二层为微风化灰岩1厚度4 m，第三层为微风化灰岩2厚度8 m。桩直径2.2 m，嵌岩深度4.4 m。图2 施加竖向及水平荷载后土层

7、和岩石的塑性状态图2为施加竖向及水平荷载后岩层塑性状态分布图。由图可知塑性区域分布在三个区域，第一个区域分布在第一层粉质粘土层，第二个区域分布在第二层岩体顶面以下1 m范围内，第三个区域分布在桩底。由于桩底出现塑性区域而导致桩整体塑性转动，土塑性区范围5较广，由此可判桩嵌岩深度2倍桩直径4.4 m深不满足结构安全性要求。图3 施加竖向及水平荷载后结构竖向应力等值线图图3为施加竖向及水平荷载后结构竖向应力等值线图，由图3可知结构最大竖向压应力21.0 Mpa，最大竖向拉应力12.5 Mpa，分布在地面以下2.5 m桩体内。图4 施加竖向及水平荷载后结构横向应力等值线图图4为施加竖向及水平荷载后结

8、构横向向应力等值线图，由图4可知结构最大横向压应力6.5 Mpa，分布在第二层岩体顶面和桩体接触处。图11 施加竖向及水平荷载后岩体位移等值线图图5为施加竖向及水平荷载后岩体位移等值线图，由图5可知岩体最大位移3.74 mm，分布在地面和桩体接触处。图6 施加竖向及水平荷载后桩体位移等值线图图6为施加竖向及水平荷载后桩体位移等值线图，由图6可知桩体最大位移52.20 mm，分布在桩顶处。分析结论：桩基嵌岩深度2D=4.4 m不满足结构安全性要求。1.2.2 嵌岩深度3倍桩直径分析结果图7 分析模型图7所示为嵌岩深度3倍桩直径分析模型，第一层为粘质粉土层厚度3 m，第二层为微风化灰岩1厚度4 m

9、，第三层为微风化灰岩2厚度8 m。桩直径2.2 m，嵌岩深度6.6 m。图8 施加竖向及水平荷载后土层和岩石的塑性状态图8为施加竖向及水平荷载后岩层塑性状态分布图。由图可知塑性区域分布在二个区域，第一个区域分布在第一层粉质粘土层，第二个区域分布在第二层岩体顶面以下1 m范围内。由于桩底没有出现塑性区域因此桩不会整体塑性转动，由此可判桩嵌岩深度3倍桩直径6.6 m深满足结构安全性要求。图9 施加竖向及水平荷载后结构竖向应力等值线图图9为施加竖向及水平荷载后结构竖向应力等值线图，由图9可知结构最大竖向压应力22.8 Mpa，最大竖向拉应力15.0 Mpa，分布在地面以下2.5 m桩体内。图10 施

10、加竖向及水平荷载后结构横向应力等值线图图10为施加竖向及水平荷载后结构横向向应力等值线图，由图10可知结构最大横向压应力6.2 Mpa，分布在第二层岩体顶面和桩体接触处。图11 施加竖向及水平荷载后岩体位移等值线图图11为施加竖向及水平荷载后桩体位移等值线图，由图11可知桩体最大位移51.94 mm，分布在桩顶处。图12 施加竖向及水平荷载后桩体位移等值线图图12为施加竖向及水平荷载后岩体位移等值线图，由图12可知岩体最大位移3.10 mm，分布在地面和桩体接触处。分析结论：桩基嵌岩深度3D=6.6 m满足结构安全性要求。1.2.3 裸岩嵌岩深度3倍桩直径分析结果图13 分析模型 图13所示为

11、不考虑土层裸岩分析模型，第一层为微风化灰岩1厚度4 m，第二层为微风化灰岩2厚度8 m。桩直径2.2 m，嵌岩深度2D=6.6 m。图14 施加竖向及水平荷载后岩层的塑性状态 图14为施加竖向及水平荷载后岩层塑性状态分布图，由图可知塑性区域只分布在距地面1 m小范围内，桩没有整体塑性转动，由此可判桩嵌岩深度3倍桩直径6.6 m深满足结构安全性要求。图15 施加竖向及水平荷载后结构竖向应力等值线图图15为施加竖向及水平荷载后结构竖向应力等值线图，由图15可知结构最大竖向压应力16.4 Mpa，最大竖向拉应力8.9 Mpa，分布在地面以下0.5 m桩体内。图16 施加竖向及水平荷载后结构横向应力等

12、值线图图16为施加竖向及水平荷载后结构横向向应力等值线图，由图16可知结构最大横向压应力4.3 Mpa，分布在桩体和地面交界处岩体内。图17 施加竖向及水平荷载后岩体位移等值线图图17为施加竖向及水平荷载后岩体位移等值线图，由图17可知岩体最大位移0.18 mm，分布在岩层顶面和桩体接触处。图18 施加竖向及水平荷载后桩体位移等值线图图18为施加竖向及水平荷载后桩体位移等值线图，由图18可知桩体最大位移24 mm，分布在桩顶处。分析结论：裸岩情况下桩基嵌岩深度3D=6.6 m满足结构安全性要求。1.2.4 嵌岩深度4倍桩直径分析结果图19 分析模型图19所示为嵌岩深度4倍桩直径分析模型，第一层

13、为粘质粉土层厚度3 m，第二层为微风化灰岩1厚度4 m，第三层为微风化灰岩2厚度8 m。桩直径2.2 m，嵌岩深度8.8 m。图20 施加竖向及水平荷载后土层和岩石的塑性状态图20为施加竖向及水平荷载后岩层塑性状态分布图。由图可知塑性区域分布在二个区域，第一个区域分布在第一层粉质粘土层，第二个区域分布在第二层岩体顶面以下1 m范围内。由于桩底没有出现塑性区域因此桩不会整体塑性转动，由此可判桩嵌岩深度4倍桩直径8.8 m深满足结构安全性要求。图21 施加竖向及水平荷载后结构竖向应力等值线图图21为施加竖向及水平荷载后结构竖向应力等值线图，由图21可知结构最大竖向压应力22.8 Mpa，最大竖向拉

14、应力15.0 Mpa，分布在地面以下2.5 m桩体内。图22 施加竖向及水平荷载后结构横向应力等值线图图22为施加竖向及水平荷载后结构横向向应力等值线图，由图22可知结构最大横向压应力4.01 Mpa，分布在第二层岩体顶面和桩体接触处。图23 施加竖向及水平荷载后岩体位移等值线图图23为施加竖向及水平荷载后桩体位移等值线图，由图23可知桩体最大位移51.62 mm，分布在桩顶处。图24 施加竖向及水平荷载后桩体位移等值线图图24为施加竖向及水平荷载后岩体位移等值线图，由图24可知岩体最大位移2.75 mm，分布在地面和桩体接触处。分析结论：桩基嵌岩深度4D=8.8 m满足结构安全性要求。1.2.5 仅竖直力作用桩基分析结果图25 施加竖向荷载后结构竖向应力等值线图图25为嵌岩深度2D=4.4模型施加竖向荷载后结构竖向应力等值线图，由图25可知桩底应力扩散影响深度为4m。桩尖附近桩的应力减少，表明桩侧阻力起较大作用。桩及桩周土应力云图符合理论解。1.3 结论 MIDAS分析得到桩顶设计内力为轴向力（Nd）13000 kN，弯矩（Md）8000 kN·m；考虑岩土离散性较大故设计弯矩取2倍安全系数,设计弯矩取值16000 kN·m。经不同嵌岩深度的模型分析可得到如下结论：由图2可知当采用2倍桩直径嵌