桥台桩基配筋计算的敏感性分析

　　摘要 在公路桥涵地基与基础设计规范[1]只对摩擦桩和嵌岩桩的桩基承载力进行了详细规定，但桩基设计不仅仅要考虑桩基承载力，设计过程中还要考虑桩基的自身抗弯、抗剪等力学承载力。在进行桥台桩基受力模拟分析中，桩基的长度、台后填土的内摩擦角、桩侧土的比例系数等对桩基的内力及配筋具有较大影响。本文结合肯尼亚西环城路项目桥台设计案例，分析桩基的长度、台后填土的内摩擦角、桩侧土的比例系数等影响因素对桩基配筋的敏感性，结合混凝土设计规范[2]配置桩基钢筋，有效节约材料，实现经济效益。

　　关键词 桩基、配筋、桩长、内摩擦角、比例系数

　　0.概述

　　肯尼亚内罗毕西环城路桥梁设计采用中国标准，环城路由于用地受限，设置的跨越环城路的车行桥梁桥台高度达到10米左右，在进行桥台设计时选用了占地比较节省的轻型薄壁桥台，但由于桥台高度比較高，桥台受力影响较大的因素也比较多。肯尼亚环城路某处桥梁上跨环城路，桥梁布置为2跨16米，桥面宽12米;上部结构为先张法预应力空心板梁;下部结构桥墩为桩柱式、桥台为轻型薄壁桥台，承台厚2m，下设6根1.2米桩基，桥台高度9.8米，由于地质条件比较差，桩基采用摩擦桩。

　　在设计时桥台的台背回填考虑了很多种材料，结合当地实际情况主要有红土砾料、碎石土、粗砂等，这几种填料产生的台后土压力相差很大，主要是计算台后土压力系数时材料的内摩擦角差异导致;根据地勘数据，在选用的桩长满足地基承载力要求的情况下，不同的桩长其桩基内力分配及配筋变化也存在一定差异;同时，在分析过程中，由于规范对桩侧地基土的比例系数只给出了参考范围，通过对同一类土参考范围内的比例系数进行调整，桩基配筋也存在一定差异;本文通过对上诉三个影响因素逐个进行分析，最后综合各影响因素，得出敏感性分析结论。

　　在建立完成上部结构有限元分析计算模型后，提取出上部结构反力;随后建立好桥台有限元分析计算模型，通过地勘参数合理模拟桩基土弹簧约束，施加上部荷载反力，通过调整前文的三个主要影响因素，采用因素分析法比较桩基配筋的面积大小从而进行敏感性分析。

　　1.回填材料的内摩擦角敏感分析

　　在建立好桥台模型后，施加在桥台上的荷载主要有上部结构荷载反力、台后填土压力、汽车荷载引起的台后土压力等。根据土压力计算公式，填土容重和填土高度基本固定，但填土的土压力系数确根据不同的回填材料内摩擦角值变化很大，因此台后填土的内摩擦角是影响土压力计算的关键因素。同时，路基设计规范[3]中对某一类填料的内摩擦角取值也只给定了一定范围，计算其影响敏感性就很有必要，下表为规范给出的内摩擦取值范围：

　　在进行内摩擦角影响分析时，采用因素分析法，固定满足地基承载力的桩长为32m，根据地勘钻孔取芯判断桩侧土的比例系数m采用10000KN/m4，安全系数储备1.2，裂缝宽度按照0.2mm控制，分析计算不同内摩擦角30°～50°范围内桩基钢筋变化，计算结果列表如下：

　　由上表计算结果生成散点图如下：

　　根据桩基配筋计算结果列表和散点图，随着台背回填材料的内摩擦角由30°增加到50°，桩基最不利配筋率从2.0%减小到0.69%，可见选用内摩擦角大的回填材料，能有效降低桩基配筋率。

　　2.桩长敏感性分析

　　采用因素分析法进行桩长对桩基配筋敏感性分析，固定回填材料的内摩擦角为40°，桩侧土的比例系数m采用10000KN/m4，安全系数储备1.2，裂缝宽度按照0.2mm控制。根据桩基计算M法则[1]，计算采用桩长分别为14m、20m、26m、32m、38m，分析桩长的变化对桩基配筋的影响，计算结果列表如下：

　　由上表计算结果生成散点图如下：

　　根据桩基配筋计算结果列表和散点图，桩长从14m增加到38m，桩基最不利配筋率从1.65%减小到1.13%，可见在满足地基承载力要求的情况下，适当增加桩长，对降低桩基配筋率也有一定效果。

　　3.桩侧土比例系数敏感性分析

　　在桩基配筋计算过程中，提取出承台底内力后，需要采用M法分配计算每根桩基的内力，桩侧土的比例系数则成为了分配的关键，但在实际设计过程中，很难准确的确定某类土的比例系数，这也会导致计算结果存在差异，在《公路桥梁地基与基础设计规范》[1]中对非岩石类土的比例系数也只给出了参考范围，如下表所示：

　　表中：m为非岩石类地基水平向抗力系数的比例系数，m0为桩端处地基水平向抗力系数的比例系数。

　　从上表可看出，即便是同一类非岩石类地基土，其比例系数相差也很大，在实际使用时往往会导致计算结果差异很大，因此对其进行敏感性分析就很有必要。

　　采用因素分析法进行桩侧土比例系数对桩基配筋敏感性分析，固定回填材料的内摩擦角40°，桩长取用32m，安全系数储备1.2，裂缝宽度按照0.2mm控制。根据桩基内力计算M分配法则，计算采用比例系数分别为5000、8000、10000、20000、40000KN/m4，分析桩侧土比例系数的变化对桩基配筋的影响，计算结果列表如下：

　　由上表计算结果生成散点图如下：

　　根据桩基配筋计算结果列表和散点图，桩侧土的比例系数从5000KN/m4增加到40000KN/m4，桩基最不利配筋率从1.74%减小到0.61%，可见桩侧土的比例系数越大，桩基最不利配筋率越小。

　　4.结语

　　桥梁桩基配筋的影响因素很多，在设计过程中对某些参数的取值，地勘试验也很难给出准确的取值，因此设计人员就要对各种影响因素有较强的综合判断能力，在设计过程中抓住主要的影响因素，合理取值达到安全、经济的目的。

　　本文结合肯尼亚内罗毕西环城路项目桥梁桥台设计案例，通过因素分析法，对桥梁桩基配筋影响比较重要的三个因素：回填材料的内摩擦角、桩基长度、桩侧土的比例系数进行了分析，通过绘制散点图判断其影响趋势。

　　1 j回填材料的内摩擦角增大、桩长增长、桩侧土的比例系数增大，都能有效的降低桥台桩基的配筋。

　　2 j对同一类回填材料，在实验给出的参考值范围内取小值能有效保证设计安全;对摩擦桩如适当增加桩长，通过对比增加桩长的混凝土工程量与减少配筋的工程量，综合分析是否有必要增加桩长;对于同一类非岩石类土比例系数，在地勘给出的参考值范围内取小值能有效保证设计安全。

　　3 j通过因素分析法综合分析，回填土的内摩擦角对桩基的配筋影响最显著，同时也是最能够人为控制的因素，因此在设计时尽可能选用内摩擦角大的材料，如碎石类土、碎石等，以有效降低桥台的桩基配筋率。

　　参考文献

　　1.JTG 3363-2019 公路桥涵地基及基础设计规范

　　2.JTG 3362-2018 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范

　　3.JTG D30-2015 公路路基设计规范

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文章名称： 桥台桩基配筋计算的敏感性分析

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