浅谈水平承载桩M法计算在架空线路工程的运用

发表时间:2019/8/22   来源:《河南电力》2018年24期   作者:罗友毅
[导读] 摘要:考虑桩土共同作用下桩的水平承载力是桩基础设计的重点与难点,涉及的计算方法不限于现行规范所采用的m法。
罗友毅
        (广东电网发展研究院有限责任公司汕头电力咨询研究院  广东省汕头市  515000)
        摘要:考虑桩土共同作用下桩的水平承载力是桩基础设计的重点与难点,涉及的计算方法不限于现行规范所采用的m法。本文通过对涉及m法相关规范条文的学习,对输电线路采用现行《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008求解水平承载桩相关条文提出几点思考,为今后设计工作的改进和运用提供一些借鉴。
        关键词:m法;m值折减;水平承载桩;承台厚度;承台桁架空间传力机理
       
       
        1、关于桩侧土水平抗力系数的比例系数m的取值以及折减
        1.1关于m值的取值范围
        M值的取值可参考《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008表5.7.5
        
        对灌注桩项目m值的取值以及折减的规定是一致的。现有规范沿用了旧规范的数值。
        由于地基土并非理想的弹性体,桩的水平荷载H0及其位移Y0
        关系一般呈现非线性关系,因而在m―Y曲线上,当取用不同的荷载和位移时,将得到不同的m值。从以下曲线可以看出,m与Y成反比。考虑m法时,需要满足桩长范围内的土大部分仍处于弹性工作状态和桩身裂缝宽度不超过钢筋混凝土结构容许的开裂限度两个条件,通常取水平位移值6~10mm时的实测m值作为计算依据。
        m值可根据试验结果按下列公式计算:
       
        式中:yo-桩在泥面处的实测水平位移;
        HO-与实测泥面水平位移相对应的水平力(kN);
        Ay(0)—泥面处的位移无量纲系数,桩顶铰接或自由时为2.441;
        b0—桩的计算宽度(m);
        EI—桩的抗弯刚度(kN·m2)。
        
        以现有架空线路地质钻探报告资料为例,本工程已对线路杆塔位进行了钻探,并形成施工图阶段的最终地质报告,但可以注意到,该表只给出了钻孔灌注桩的地基系数,按照m-y曲线,应给出与该值相适应的位移,实际验算位移时候无法根据计算数据对M值进行调整。有必要提供更为详细的数据。为设计人员进行m值计算的位移结果调整提供依据。
        
        1.2关于m值的折减
        现有《桩基规范》以及《港口桩基规范》均注明:水平力为长期荷载时,要考虑对m值的折减。但未有明确的条文说明。查阅相关文献,《桩基础设计指南》表2-18中,可以看到桩间土为粘性土时,在长期荷载作用下,桩的平均侧向挠度比短期荷载下的变形大6倍。
        实际工程中,考虑试桩时桩和土的受力情况与工程实际情况有所差别,所以在应用试验得到的m值时,可考虑乘以一个工作条件系数进行折减,该文献建议该系数采用0.4。
        在贾庆山《桩基水平承载力标准值与m值确定》一文中,对旧规范对m值的折减是这样:“由于试桩中,桩和土受力情况与工程实际情况有所差别,试桩加载时短暂的,反复循环次数有限(一般仅为5次),而实际工程中,桩随外力作用,多数为长期,又是多次反复卸载。因此,在工程上应用从试桩资料得到的m值时,则必须注意到这些情况。综合这些因素,为了确保工程安全,还应对m值考虑一个工作条件系数予以折减。”
        综合以上两点对m值取值以及折减的理解,本人认为,直线塔由于受到的水平力相对于耐张杆塔比较小,在位移比较小的情况下应允许m值按取值范围的大值考虑。耐张杆塔、终端杆塔的计算位移比较大,应按取值范围的小值取值。如果按同个m值取值,有不合理之处,这也是地质钻探报告应该完善对m的取值范围以及相应的位移。同时,对m值的折减,可以说是考虑了时间效应和循环荷载效应,这是对工作条件的考虑,无法非常定量地分析,0.4的折减系数在新旧规范中一直沿用。
        2、关于满足m法计算模型对承台厚度的取值要求及需要解决的问题
        按照《 DLT 5219-2014 架空输电线路基础设计技术规程》9.2.5承台厚度宜取为桩径的1.0倍~2.0倍,并应满足冲切承载力要求。规范对该条文并无解释。包括现有行业软件,对该条件也进行了限定,在无法满足至少1倍桩径的情况下,无法进行M法计算。
        现行规范对承台厚度取值的规定可能带来以下两个问题:
        当上部水平荷载、弯矩不是很大的情况下,比如直线杆塔,但由于地质情况较差时,不得加大桩径解决基桩的竖向承载力。按该条文执行的话,会导致承台也跟着加大。
        增加承台厚度会增加施工难度,特别是在高地下水位的情况下。
        在对承台刚度系数的推导得知,在m法中,保证承台有足够的刚度,便可以不考虑承台的变形。这里的刚度,不应简单地理解为仅仅体现在承台的厚度,而应该研究承台真实的受力破坏状态,进而总结出与承台破坏相关的影响因素,找到提高承台承载力的有效途径,避免盲目地通过机械增加承台厚度或者增加配件率来保证承台的安全。
        查阅关于承台抗冲切方面的文献,目前承台冲切计算的方法有两类:上限解法(现在建筑桩基础规范,地基基础规范)、将承台的受力模型比拟为空间桁架理论的下限解法。通过对比两种解法的不同,可以更好地了解真实状态下承台的传力路径。
        上限解法的基本原理,若将钢筋与混凝上假设为理想刚塑件体,则塑性力学中有:满足几何约束条件并使外力作正功的位移场,共所对应的极限荷载为上限解。
        
        现阶段国内规范在求解承台抗冲切承载力的求解就是上限解法的运用实例。
        下限解法的基本原理,若将钢筋与混凝土假设为理想刚理性体,则塑性力学中有满足平衡刀程和力的边界条件.并且不违背屈服条件的应力场所对应的极限荷载为“下限解”。
        对承台冲切问题,前述空间桁架,两向正交深梁以及空间壳体的比拟也正是该法的具体应用。
        下限法的求解也是现在国际研究承台破坏模型的热点。由于篇幅有限,所涉及的内容多,国内规范对该法并无介绍,仅对比较有代表性的空间桁架模型做简单性介绍。
        下图摘自《基于桩-土共同作用的承台传力机理数值分析》一文中对承台比拟为空间桁架的空间传力模型。
        
        空间桁架模型是考虑结构内部的完整力流而不是某一特殊截面上的内力,将开裂后钢筋混凝土结构中的内部荷载传递路径近似于一个理想的桁架,将压应力区域的混凝土视为压杆,底部纵向钢筋作为拉杆,将拉杆、压杆相交的混凝土区域模拟为桁架节点,有效的描述了承台内部应力流的传递途径。空间桁架模型体系也能保证设计的合理与安全,同时该模型现已被很多规范采用。
        该文章采用的有限元数值求法,与郭宏磊老师在《承台冲切破坏的空间桁架理论研究》一书中为证实承台的传力模型符合空间桁架的理论所做的试验数据分析所得的结论是一致的。以下简略介绍下郭老师的试验数据以及结论分析。
        
        S1模型(现行规范承台按受弯构架配筋均等分布)
        
        S2模型(在桩顶范围双向加强水平钢筋配筋率)
        
        S3模型(强化水平钢筋网的作用)
        
        S4模型(用角钢构造承台的空间桁架)
        由试验观察出S1、S2、S3均表现为剪切破坏,S4表现为弯曲破坏。四个模型抗冲切承载力排序依次为S1<S2 < S3 < S4。
        其中,S2与S1的钢筋用量一样,只是改变了承台底面钢筋的布置方式,只是将水平钢筋集中到了桩顶布置,形成了桩顶与承台底面之间的拉杆。
        按照空间桁架理论的分析:
        S2承载力的提高源于构件拉杆作用得到了加强,拉杆配筋率达到均匀网状布筋率的2.9倍;
        S3在斜压杆的中腹部配置了水平钢筋网,进一步强化了斜压杆的拱作用机理;
        S4承载力的提高源于构件压杆作用得到加强,型钢混凝土组合压杆。
        试验表明,钢筋混凝土承台的传力机理符合空间桁架的假说,从S1到S4受力性能的逐步提高,正是空间桁架传力机理逐步加强的结果。
        根据以上试验结果对比,还可以发现以下几点:
        1、我国现行规范中的承台配筋以弯曲强度考虑,配成的是均匀网格状,并且认为纵筋对冲切承载力没有影响,这一认识与实际不符;
        2、我国现行规范强度的是混凝土抗拉强度,所以S1因其抗拉强度高度S2而使其承载力预测值高于S2,然而S1的拉杆配筋率仅为0.49%,S2的则为1.4%,局部达到S1的2.9倍。这种拉杆配筋率问题是我国现行规范所没能考虑到的;
        3、另外,我国现行规范没有像S3这种配水平腹筋的计算方法,而实际上这种配筋方式对提高承台抗冲切能力也是极其有帮助的。
        4、注意到该实验的一组数据,规范预测与试验结果对比表,国内规范对承台的承载力预测值要低于实测值。
        
        综合以上,通过优化配筋方式提高承台抗冲切能力,在掌握上限求解法的同时,掌握并运用下限求解法,能更好地理解承台刚度的定义,对《线路基础规范》中对承台厚度的取值有一个重新的认识。避免盲目通过承台厚度的方法来提高刚度。
        3、结语
        在对m法理论知识理解的基础上,通过对m值的取值范围及折减、承台厚度的取值等重要问题的思考,对优化今后的设计工作有重要的意义。
       
        参考文献:
        [1]《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008
        [2] 《桩基础设计指南》林天健 熊厚金 王利群
        [3]《承台冲切破坏的空间桁架理论研究》郭宏磊
        [4]《基于桩-土共同作用的承台传力机理数值分析》梁力 岳云龙 李鑫
        [5]《架空输电线路基础设计技术规程》DLT 5219-2014
        [6]《桩基水平承载力标准值与m值确定》贾庆山
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