地铁车站桩基础计算方法对比研究
0 引言
作为传统的基础形式，桩基础以其良好的工作性能得到广泛应用。作为抵抗水平地震作用的结构构件，桩基础抗震设计方法将影响结构整体抗震性能。考虑震后难以检测和修复，桩基础一般作为能力保护构件，抵抗各种情况下的弯矩、剪力和轴力。
对于水平荷载作用下的桩基础计算方法，目前国内一般采用m法和p-y曲线法
1 p-y曲线法分析模型
1.1 基本假定
建立桩基础p-y曲线法分析模型时，采用以下假设:(1)用集中质量模拟上部结构，使用非线性梁单元模拟桩基础;(2)对于承受荷载的桩基础，采用一系列局部非线性弹簧代替土对桩的三维作用，包括p-y弹簧模拟桩周土体的水平抵抗作用，t-z弹簧模拟桩侧土体的竖向摩阻作用，q-z弹簧模拟桩底土体的竖向支撑作用，如图1所示;(3)3种土-弹簧本构关系均用各自的荷载-位移曲线表示，即分别为py曲线、t-z曲线和q-z曲线;(4)基桩与承台刚接，即桩顶固定，不能转动。
图1 分析模型
Fig.1 Analysis Model
1.2 桩-土相互作用力学模型
p-y曲线指在水平荷载作用下，泥面下某一深度处的土体水平反力与该点桩挠度间的关系曲线;t-z曲线指泥面下某一深度处桩侧土体竖向摩擦反力与该点桩竖向变形间的关系曲线;q-z曲线指桩底土体竖向支撑反力与桩底竖向变形间的关系曲线。
p-y曲线、t-z曲线、q-z曲线主要由土性、桩类型和荷载类型决定。根据规范
2 工程概况及分析方法
2.1 工程概况
以天津市地铁Z2线为工程背景，选择该工程单桩作为研究对象。该桩直径600mm，桩长50m，桩顶标高为天然地面。桩身配有8根25纵筋，纵筋配筋率为1.39%，箍筋采用12焊接环箍，箍筋间距100mm，钢筋等级均为HRB500，混凝土抗压强度等级为C45。地质情况及土体参数如表1所示。
2.2 分析方法
为分析拉弯作用下桩基础应力、变形，采用Ensoft LPile软件建立p-y曲线法分析模型。根据JTG D63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》
3 模型合理性验证
为验证p-y曲线法在桩基础计算中的合理性，取文献
表1 地质情况及土体参数
Table 1 Geological conditions and soil parameters
注:以天然地面为标高±0.000位置
图3 结果比较
Fig.3 Results comparison
4 p-y曲线法与m法对比分析
为分析m法的适用性，在桩顶施加不同轴力、不同桩顶位移作用下的水平反力，分别应用p-y曲线法、m法计算单桩承载特性，结果如图4,5所示。
Fig.4 Calculation result with different m values(axial force N=331.25kN)
4.1 m法内部比较
当桩顶轴向拉力不变时，由图4a可知，m取最小值、平均值和最大值时，桩顶位移随着水平荷载的增加均线性增大;在荷载相同的情况下，m值越小，桩顶位移越大;当水平荷载逐渐增大时，桩顶位移的差异更加显着。由图4b可知，m值不同时，桩身最大变形均出现在桩顶，且最大变形随着m值的增大而减小;桩身第1次出现位移零点的位置随着m值的增大而上移。由图4c可知，随着m值的增大，桩身最大负弯矩逐渐减小，但出现位置均在桩顶;反弯点出现的位置随着m值的增大逐渐上移;随着m值的增大，桩身最大正弯矩逐渐减小，且出现的位置随着m值的增大逐渐上移。
图5 m值相同时的计算结果(m=7 500kN·m-4)
Fig.5 Calculation result with same m values(m=7 500kN·m-4)
由图5可知，不同轴向拉力作用下的m法计算结果不变。可见，m法不能考虑轴向拉力对桩基础抗弯承载力的影响，而p-y曲线法考虑该影响，且随着轴向拉力的增大，桩基础抗弯承载力降低。
4.2 p-y曲线法与m法比较
由图4a可知，m法将土体视为线性，而当忽略桩基础自身非线性时，计算得到的桩基础力学响应也是线性的。但p-y曲线法考虑土体非线性影响，当载荷连续增加时，桩基础的力学响应也显示出非线性。可知，当荷载作用较小时，桩侧土体基本保持弹性，通过p-y曲线法和m法计算得到的桩基础响应基本相同。随着荷载的增加，土壤非线性越来越明显，桩基础整体刚度降低，且弹性假设不再有效，此时通过m法计算得到的桩顶位移远小于p-y曲线法的计算结果，且随着荷载的增加差距越大。由图4b可知，对于p-y曲线法和m法，桩身最大变形所在位置均为桩顶，但通过p-y曲线法计算得到的变形值较m法计算结果大。同时，p-y曲线法计算得到的桩身位移首次为零的位置低于m法计算结果。由图4c可知，通过p-y曲线法计算得到的最大负弯矩小于m法计算结果，且最大负弯矩出现在桩顶;p-y曲线法计算得到的最大正弯矩小于m法计算结果，且最大正弯矩出现的位置较低。
5 结语
1)m法作为一种线弹性方法，不能直接考虑土体的非线性;在较大横向荷载，如地震等作用下，桩侧土将发生较大变形，此时须考虑土体非线性对桩身受力的影响。
2)m法只考虑横向荷载，忽略轴力作用，即不能考虑轴向拉力和横向荷载的耦合作用。
3)在轴向拉力和地震等共同作用下，桩基础抗弯承载力随着轴向拉力的变化而变化，轴向拉力增大，桩基础抗弯承载力有所降低。
4)通过与试验结果的对比分析可知p-y曲线法更适合对拉弯作用下的桩基础进行计算。
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