浅谈桥梁初始缺陷基桩屈曲

王玉娟

(秦皇岛市交通运输局)

1 基桩病害的成因

1.1 设计原因

如果桩距布置太密，在淤泥质饱和软土中，由于土的含水量高，孔隙比大，这会产生极大的拥土效应，随着土中孔隙水压力增高，土体会产生扰动、隆起、侧移等现象，引起桩顶连同桩周土上抬，使未达终凝强度的邻桩被拉伸、挤压，使桩体产生局部错位、侧移，形成基桩的初始弯曲;桥梁水文地质设计与实际情况偏差较大，也可能使基桩产生病害。

1.2 施工不当

在基桩成孔过程中，对钻孔机械定位复测不及时，成孔不竖直，造成基桩倾斜;基桩在钻孔或灌注混凝土时孔壁局部坍塌，使桩身混凝土成为不均匀的桩体，桩身有效轴线不在一条直线上，形成了桩身的初始弯曲。同时，所坍塌料沿孔壁下落，产生基桩缩颈。在基桩混凝土灌注时，混合料拌和不均匀，或者混合料剂量控制不准而导致混凝土和易性差，使桩身局部不密实;在打桩过程中地下水流从所成孔经过，将混凝土局部冲走，只剩下砂和石料，造成桩身局部强度降低，这两种情况均使基桩有效截面降低，即造成缩颈。在未达终凝的成桩场地上，由于偶然原因突然施加荷载，桩架会发生位移，有可能将未达终凝的桩在受到横向或斜向推力的作用使基桩形成初始弯曲。

2 桥梁初始缺陷基桩的屈曲分析

2.1 非线性有限元屈曲分析方法

非线性屈曲分析是指在增量加载的过程中，将某个增量开始时包含了以往加载历史的各种非线性影响的切线刚度矩阵用于屈曲分析，提取结构在施加到当前荷载水平后进一步发生失稳时的特征值分析。

非线性屈曲分析是在线性分析基础上，把增量非线性分析的有限元法与屈曲特征值问题的求解相结合。增量的非线性有限元分析易于在刚度矩阵中积累加载过程中各种非线性因素的影响。在增量加载过程中，用包含加载过程中所有非线性的影响的刚度矩阵来评定屈曲特征值，由此求出的失稳荷载无疑会更接近结构的真实临界荷载值。

非线性屈曲分析可以考虑以往加载历史的影响;可以考虑非线性影响，包括材料非线性、几何非线性、边界条件非线性、预应力等;可以考虑结构的初始缺陷;可给出足够准确的失稳荷载。对于一般的基桩来说，基桩发生屈曲破坏时由于桩周土体的约束，屈曲破坏不可能是大挠度弯曲变形，因此采用非线性屈曲分析方法具有工程实际意义。

2.2 失稳路径的弧长法

弧长法是增量线性有限元分析中，沿着平衡路径迭代位移增量的大小(也叫弧长)和方向，确定荷载增量的自动加载方案。用于分析非线性的屈曲失稳问题。与特征值提法的屈曲分析相比，弧长法分析屈曲问题不仅仅考虑刚度奇异的失稳点附近的平衡，而且通过追踪整个失稳过程中实际的荷载、位移关系获得结构失稳前后的全部信息。弧长法可以追踪屈曲后屈曲加载路径，对分析极限荷载等问题十分有效，可以考虑各种非线性以及组合非线性的影响(材料非线性、几何非线性、边界条件非线性等)。如果失稳前后系统的非线性很强，弧长法需要足够小的荷载步长才能准确模拟失稳路径。因此计算效率不高。

失稳路径的弧长法是求解包含各种非线性因素影响的力平衡方程的常用方法，是逐个加载增量步的求解非线性平衡方程，也就是说在每个增量步内按给定的荷载增量(荷载控制)或给定的位移量(位移控制)，迭代出系统的平衡方程。从而追踪出结构真实的加载路径。

在增量加载分析中，按荷载控制的加载方式和位移控制的加载方式，有时不可相互替代。比如对结构极限荷载的分析，由于极限荷载是未知量，采用荷载控制的加载方式按事先规定的荷载增量步长加载时，一旦所施荷载大于结构的极限荷载，就会使刚度矩阵奇异而不能求解。只有用足够小的荷载增量逐渐逼近极限荷载，才能获得极限荷载的近似值。但这需要多次复试算出合适的加载步长，很不方便。对极限荷载问题，采用位移控制的加载方式分析更为有效。

3 基桩屈曲计算及分析

3.1 基桩屈曲计算模型

有限元计算采用二维弹性单元模型，每个节点含X、Y方向两个平移自由度和Z方向的转动自由度，能比较好地模拟真实情况。计算基桩屈曲时，假定所分析的基桩模型直径为1m，长为48m，其中入土深度达40m划分为24个单元，弹性模量E=2.8×107KN/m2;在不考虑土体分层的情况下，各土层地基横向反力系数均为500(即m=500);基桩按2m为一个计算单元。模型模似桩端的边界条件为嵌岩，对桩端按固端约束来计算。

3.2 桩身发生倾斜时的屈曲分析

桩身发生倾斜时对基桩的屈曲有一定的影响，分别按桩身从地面处倾斜1°～5°进行计算基桩的屈曲极限荷载。由计算结果可以看出，桩身倾斜时，基桩的极限屈曲荷载随着基桩的倾斜角度大致呈线性降低，因此基桩的倾斜容易导致基桩发生屈曲破坏。

3.3 桩身有效截面减小时的屈曲分析

桩身存在的缺陷包括缩颈、蜂窝等对桩身的影响可能综合反映到桩身的有效截面时，即不再分别考虑缩颈、蜂窝等，而只考虑存在缺陷处基桩半径的大小。此分析分别按桩身半径为0.9m、0.8m、0.7m、0.6m、0.5m 进行计算，并且考虑到该截面发生的基桩的不同深度，由计算结果可以看出，基桩桩身存在的缺陷在土体深处时对基桩的极限屈曲荷载没有太大的影响;并且当桩身缺陷在地表时，随着桩身有效截面的缩小，屈曲极限荷载降低较快。

4 结束语

基桩的屈曲分析相当复杂而又具有实际工程意义，其影响因素众多。尽管国内外学者已经作了相应的探讨且取得了许多研究成果，但大多局限于对单质基桩本身的屈曲研究，而未考虑基桩本身的倾斜、初始弯曲、施工缺陷等诸多特殊情况的影响。通过对桥梁基桩在初始倾斜、初始弯曲及初始缺陷等情况下的非线性屈曲分析，得出一些可用于指导工程实践的重要结论。