武汉鹦鹉洲长江大桥1＃墩群桩承载特性分析

时一波，万昌中，何少华，熊 浩，邓友生

（1中铁大桥局集团第六工程有限公司，湖北 武汉430100；2湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430068）

群桩基础具有承载能力高、稳定性好、沉降小而均匀、抗震性能好等优点，被广泛用作桥梁桩基［1］.群桩基础的桥梁结构中，较大的基础沉降会引起桥梁线形变化，导致结构受力的改变，危及整个结构的安全，其沉降及承载特性是人们关注的重点.群桩基础沉降问题是一个承台、群桩、土共同作用的问题，其受力状态非常复杂，荷载传递过程受桩的类型、桩的设置方式、土的特性等许多因素的影响［2］.现工程中常用的计算方法有等代墩基法、效率系数法、弹性理论法、剪切位移法等，这些方法在计算时各有优缺点，但对上述影响因素的反映都不够全面和完善.近年来，随着有限元数值分析求解技术的应用日益成熟，在处理大量的复杂实际工程问题时都取得了较好的成果，因而得到了日益广泛的重视［3－6］.

本文利用美国大型商业通用计算软件ADINA，采用三维弹塑性接触非线性有限元方法，对鹦鹉洲长江大桥北塔（汉阳侧）群桩基础进行数值计算，对群桩在荷载条件下的竖向位移分布，以及桩周土体参数对桩基承载特性的影响进行了深入分析.

1 工程概况

武汉鹦鹉洲长江大桥为武汉新环线主要工程，大桥为三塔四跨（200m＋850m＋850m＋200m）悬索桥形式.北塔柱全高126.2m，基础采用低桩承台，承台下为44根2.0m钻孔灌注桩，钻孔桩沿纵桥向12排、沿横桥向5排，桩间距为5.5m，桩底高程－68.5m、桩长75.0m，桩基布置见图1.

图1 1＃墩主塔桩基础布置

2 三维数值模拟方法

2.1 地质特征和计算参数选取

工程场区地层主要有第四系全新统冲积层、志留系～三叠系的砂岩、泥岩、灰岩、白云岩等.其中，第四系地层表部为硬塑状粘性土，其下为软塑状粘性土及松散～中密状细砂，底部为密实状细中砂，局部为密实状圆砾土.基岩中：泥质粉砂岩、泥岩，质软、裂隙发育，泡水易软化；灰岩及白云岩岩质硬，岩 溶发育，赋存岩溶水，具体地质特征见表1.

表1 1＃墩岩土体工程地质特征

在计算时根据上述各土层性质，将地质层简化为两层，上部主要为黏土和砂层，承载性能较差，性质相似；下部为圆砾土和风化岩层，承载性能较好.土层及桩的具体材料参数见表2.

表2 模型材料参数

2.2 模型的选用及网格划分

由于桩、承台的刚度较土体刚度大很多，在计算过程中假定桩体、承台始终处于弹性状态，采用线性弹性空间4节点实体单元来模拟；近域土体采用Mohr－Coulomb屈服准则.模型按1∶1的比例进行建模分析，土层一、二分别厚40m、50m.由于该模型为对称模型，故建模时，仅选取其中一半进行建模.

考虑到既减少计算量同时避免边界条件对计算结果精度产生影响，模型长宽均取50m.计算中荷载与桩顶设计承受荷载相同，均为46MN，计算荷载分10个等分步逐步加载.土层的变形靠近桩侧较大，在划分网格时模型外侧土层划分长度取4m，桩土接触面处则以1m为单位进行划分.承台的划分长度为2m，桩身划分单位1m.所有划分单元均采用空间四面体实体单元.模型网格图见图2和图3.

3 计算结果

3.1 桩基沉降与应力分布

图4、图5分别为桩身沉降分布和竖向应力分布图，如图可知哑铃型群桩基础的沉降中间较两侧大，这说明群桩基础中，内侧桩基所承担的荷载较两侧桩基大.桩基最大位移为185.8mm，桩基最小位移136.8mm，桩身压缩量为9.36mm.桩身的竖向应力则是沿桩身逐渐递减的，当荷载作用时，桩身会与土体发生相对位移，土体对桩身的摩阻力会阻碍桩身向下的运动趋势，同时减小桩身的竖向应力.同时还可以发现，桩端的应力变化梯度大，桩端的受力状态复杂，由于该桩为摩擦桩，可以看到桩端的应力明显小于桩顶.

图6为桩基最大沉降与加载步之间的关系，可发现在加载前期桩基最大位移与桩顶荷载呈线性关系，这说明在加载前期桩周土体处于弹性状态.当荷载加大，桩周土体逐渐发生塑性破坏，桩基沉降速度加快.

图6 群桩基础荷载－沉降关系曲线

3.2 土体特性与群桩基础承载特性分析

桩周土体性质对桩的承载特性影响很大，在计算过程中，将土体定义为一种材料，在土体其他参数不变的情况下，依次改变土体弹性模量、粘聚力和内摩察角三个重要参数，计算了这三个因素的改变对群桩承载力的影响.

依次取桩周土体弹性模量26MPa、27MPa、28 MPa、29MPa进行分析，依据计算结果绘制桩身沉降与桩周土体弹性模量之间的关系图，如图7，可发现随着桩周土体弹性模量的增加，桩基的沉降减小，在桩周土体处于弹性状态时，这种变化趋势不明显.随着时间步距的增加，桩顶荷载增加，桩顶荷载逐渐出现差别.随着桩周土体弹性模量的增加，桩顶的最终荷载逐渐减小，桩周土体弹性模量26MPa、27 MPa、28MPa、29MPa对应的桩顶最大竖向位移分别为153.7mm、148.4mm、143.4mm、138.7mm.

图7 桩身沉降与桩周土体弹性模量的关系曲线

依次取桩周土体粘聚力为20kPa，30kPa，40 kPa，50kPa，依据计算结果绘制桩身位移与桩周土体粘聚力之间的关系，如图8，在开始阶段桩身位移基本相当，且不同粘聚力对应的桩顶位移是基本相等的.随着时间步距的增加，桩顶荷载增加，桩顶荷载逐渐出现差别.随着粘聚力的增加，桩顶的最终荷载逐渐减小，粘聚力20kPa时对应的最大沉降量为228.4mm，粘聚力50kPa时对应的最大沉降量为145.2mm.粘聚力越大桩土接触面处越是不易出现塑性破坏，桩基的最大承载力也将变大.

图8 桩身沉降与桩周土体粘聚力的关系曲线

在其他参数不变的情况下计算桩周土体内摩擦角与桩基承载特性之间的关系，依次取桩周土体内摩擦角5°、10°、15°、20°进行分析.依据计算结果绘制桩身位移与桩周土体内摩擦角之间的关系（图9）.

图9 桩身沉降与桩周土体内摩擦角的关系曲线

由图9可看出，在加载初期，桩顶位移与桩顶荷载之间基本呈线性关系，且不同内摩擦角对应的桩顶位移也基本相当.内摩擦角5°、10°、15°、20°对应的桩顶最大位移分别是232.1mm、211.9mm、183 mm、162.3mm，内摩擦角越大，桩身位移拐点对应的桩顶荷载越大，也就是说桩基最大承载力随着内摩擦角的增大而增大.

4 结论

1）在本工程群桩基础沉降计算中，由于哑铃型承台两塔柱中间部分承担的荷载较周围大，其计算值的大小分布并不均匀；该桩为摩擦桩，桩端应力明显小于桩顶，桩身的竖向应力则是沿桩身逐渐递减的，桩端的应力分布复杂，变化梯度大.

2）桩周土体弹性模量、粘聚力和内摩擦角的增加，均能增加桩基承载能力.随着上述土体参数的增加，位移曲线拐点所对应的荷载增大，桩基最大沉降量减小，上述参数最大取值较最小取值时最大沉降量分别减小9.8%、36.4%、30.0%.

［1］郑培云.大直径超长灌注桩群桩基础沉降的三维非线性有限元分析［D］.南京：河海大学图书馆，2005.

［2］邓友生，龚维明，袁爱民.超长大直径群桩沉降计算方法探讨［J］.铁道学报，2007，29（4）：87.

［3］许江波，郑颖人，赵尚毅，等.有限元与极限分析法计算桩后推力的分析与比较［J］.岩土工程学报，2010，32（9）：1 380－1 385.

［4］夏力农，苗云东，谈铁强.带承台群桩负摩阻力性状的三维有限元分析［J］.岩土力学，2012，33（3）：887－882.

［5］汪 优，刘建华，王星华.软土地层桥梁群桩基础桩土共同作用性状的非线性有限元分析［J］.岩土力学，2012，33（3）：945－951.

［6］邓友生，龚维明.苏通大桥主塔超大群桩基础沉降特性研究［J］.武汉理工大学学报，2008，30（7）：66－70.