负摩阻力作用下高速铁路桩基础承载特性研究

陈 林，谢发祥，吉伯海

（河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098）

在正常情况下，竖向外荷载施加于桩顶时，桩身会产生相对于桩周土向下的位移，外部荷载通过桩身与土的相互作用传递至桩周土体和桩端土体，此时，桩周土体对桩身产生向上的摩阻力，即正摩阻力。当桩侧土体因某种原因而下沉，其沉降量大于桩的沉降量时，桩周土体将对桩身产生向下的摩阻力，即负摩阻力［1－3］。负摩阻力对桩形成下拉荷载，相当于在桩顶荷载之外，又附加了一个分布于桩侧表面的荷载，如图1所示。

图1 负摩阻力形成的原理Fig.1 Mathematical model for the formation of negative skin friction

近年来，随着交通事业的发展，同一区域内经常出现桥梁附近另建道路的情况，因此无法避免地在桥梁桩基础周围出现堆载。填土堆载对桥梁桩基的影响体现在两个方面，即堆载引起桩周土的侧向受力变形和堆载的附加应力使桩基受到负摩阻力。有关群桩负摩阻力的研究较多。在负摩阻力发生、发展到稳定的各个阶段，都取得了许多理论和试验研究成果，对于影响负摩阻力的诸多因素也做了很多研究［4］。目前的研究成果以及工程经验认为，堆载自重使桥梁基础周围土产生沉降，从而对桩基产生一定的负摩阻力，进而降低桩的承载力［5］。尽管堆载导致桩基承载力降低的问题越来越引起工程技术人员的重视，但由于桩－土相互作用的复杂性，尤其是当桩周存在堆载后，桩－土的受力特性变得更加复杂而难以分析。因此，实际工程中常出现因堆载导致桩基设计施工不合理而引发桩基承载力不足等问题。

本研究拟依托某高速铁路桥梁与某高速公路匝道桥相互交叉这一实际工程状况，根据当地的地质条件和高速公路路基实际的堆载情况，建立桩基础的三维有限元模型，对不同工况下高速铁路桩基础受负摩阻力影响的承载特性进行研究。

1 计算模型

1.1 材料及几何模型

某高速铁路桥墩处的地基土为第四系全新统、上更新统河湖相沉积层，由淤泥质土、粘性土、粉土和粉砂组成。通过机动钻探、静力触探、标准贯入试验及室内试验等勘察手段，取得了各岩土层物理力学性质指标，具体土层厚度及岩土层的特性和基本承载力指标如图2所示。

图2 桩基础区域土层剖面示意Fig.2 Geotechnical soil profile at the pile foundation area

该高速铁路桥墩基础均采用钻孔灌注桩基础，桩位处的桩径为1.5m，承台以下共有桩10根，桩长62m。承台和桩的基本尺寸如图3所示。某高速公路在高铁桩位处的路基堆土平均高度5.5m，按照均布荷载计算，其荷载重力集度取5.5m×19kN／m3＝104.5kPa。

图3 承台和桩的基本尺寸（单位：cm）Fig.3 Basic size of pile cap and piles（unit：cm）

1.2 有限元模型

本研究采用通用有限元软件ANSYS，建立桩基础的三维模型［6］。其中：模型承台采用Shell63单元，根据土层特性，用link8单元建立土体弹簧，以模拟桩－土间的相互作用。承台的桩基础模型如图4所示。模型全部节点数为6 885个，单元数共为6 778个，其中梁单元1 250个，弹簧单元3 760个，板壳单元1 768个。

Mohr－Coulomb准则作为一种岩土工程中常用的屈服准则，能较好地描述岩土材料的强度特性和破坏行为［7］，因此，被广泛应用于岩土工程计算、设计和三维有限元数值模拟中［8］。作者在研究考虑负摩阻力的高速铁路桩基础承载力时，采用Mohr－Coulomb模型作为场地土体的本构模型，土体的力学指标采用实际测试得到的结果。

图4 高铁承台和桩基有限元模型Fig.4 Finite element model of the high－speed railway bridge pile cap and pile foundation

土对桩的弹性支撑作用分为3种：水平方向、竖直方向和桩端部的支撑作用（桩侧水平和竖向弹簧可以受拉、压作用，而桩端部弹簧只能受压，不能受拉）。不同深度的土对桩的作用通过水平稳定系数Wh表示，采用文克尔模型的解析形式描述。桩－土作用采用的弹簧均为双线性模型。桩－土耦合作用的弹簧单元如图5所示。

2 计算工况

根据相关资料，高速公路路基的施工时间晚于高铁桩基施工的。因此，在建立模型计算过程中，假定：①仅将路基作为一种荷载作用于原状土之上而不考虑路基受到高铁的各种影响，为安全计，将路基荷载均布在承台的原状地基上而不考虑基底附加应力折减。②不考虑地基对承台的支撑作用。③不考虑地基的降水和固结作用。④考虑到高速公路针对高铁的具体情况安装了SS级防撞护栏并作了路基加固处理，模型中不考虑汽车的撞击力作用。

图5 模型采用的桩土作用弹簧简图Fig.5 Springs of the pile－soil interaction

作者计算分析了2种工况：①考虑路基荷载作用下高铁桩基础的受力情况；②考虑高铁不利荷载组合时高铁桩基础的受力情况。

3 计算结果与分析

3.1 路基荷载单独作用对高铁桩基础的受力影响

路基荷载单独作用时，桩基础所受的竖向荷载最小，而该工况下高速公路的堆载作用可能使路基下沉，导致桩基相对于路基向上运动，从而产生负摩阻力。为此，对高铁桩基础的受力情况进行了分析。路基荷载单独作用时考虑负摩阻力效应对高铁桩基础受力影响的部分计算结果分别如图6～9所示。

同样，可以计算出该工况下不考虑负摩阻力效应时的各计算值，计算结果见表1。

图6 桩基础应力分布（单位：N／m2）Fig.6 Stress distribution of the pile foundation（unit：N／m2）

图7 桩侧土对桩基的竖向摩阻力（单位：N）Fig.7 Vertical frictional resistance between the pile foundation and the pile side soil（unit：N）

图8 桩基底部土对桩基的支撑力（单位：N）Fig.8 Holding power of the pile foundation provided by the bottom soil（unit：N）

图9 桩基础相对于土体的竖向位移（单位：m）Fig.9 Vertical displacement between the pile foundation and the soil（unit：m）

从计算结果可以看出，仅在高速公路路基堆土荷载作用下，考虑负摩阻力时，桩基础的竖向位移为6.9mm，相对于不考虑负摩阻力时的竖向位移增加了约43.7%，满足铁路规范要求［9］。桩体的最大轴力为1 890kN，相对于不考虑负摩阻力时桩体的最大轴力增加了约56.2%，满足地基承载力要求。同时，考虑负摩阻力时，桩基出现拉应力，桩基的最大压应力、桩侧竖向最大摩阻力及桩底土最大支撑力均有所增加。

3.2 高铁不利荷载组合对高铁桩基础的受力影响

实际上高速铁路的桩基础在承台施工以后立即进行墩柱和上部结构施工，同时高速铁路桥梁运营后将承受车辆荷载的作用，因此，对设计者提供的不同荷载组合下的墩底荷载分量（共29组）进行计算。现结合高速公路路基堆载和结构重力作用，验算在不同荷载组合作用下桩基础的侧摩阻力、端部承载力以及桩身的受力情况。

铁路荷载各种工况组合荷载和各个荷载分量见表2（本研究只列出前10组）。

对每一个工况所对应的荷载进行了考虑桩基础负摩阻力效应和不考虑桩基础负摩阻力效应的计算。在各个荷载组合下，考虑和不考虑负摩阻力时的结构分析结果如图10所示。考虑负摩阻力后不同计算结果的增量如图11所示。

从图11中可以看出，不同工况下结构响应的计算结果增量比较均匀，没有出现计算结果的突变，这是由于考虑了负摩阻力后，结构（桩土以及桩土界面）仍然处于线性阶段，桩体侧壁以及桩底与土基之间没有出现大变形而导致计算结果突变。

在高速铁路最不利荷载组合的荷载、重力和高速公路路基堆土荷载作用下，考虑负摩阻效应后的桩基础最大竖向位移为14.9mm，相对于不考虑负摩阻力时桩基础的最大竖向位移增加了约17%，桩底土的最大支撑力为139.5kN，相对于不考虑负摩阻力时桩底土的最大支撑力增加了约24%，桩侧摩阻力增加了约25%，桩体最大轴力和最大压应力均有所增加，但不明显。

表1 计算结果汇总Table 1 Calculation results

表2 高速铁路不同荷载组合下的墩底荷载分量Table 2 Components of pier bottom loads under different load combination of high－speed railway

图10 结构分析结果Fig.10 Structural analysis results

图11 考虑负摩阻力时计算结果的增量Fig.11 Added values of calculation results considering negative skin friction

桩基础在考虑上部不利荷载组合作用时，考虑和不考虑负摩阻力效应时的拉应力都是负值，即表明桩体在该种状态下没有产生拉应力。并且由于拉应力计算结果的增加以及桩土相对位移为2.2mm，依据Jeong［10］的研究可以推测，当路基荷载增加到某一程度时，桩体有出现拉应力的趋势。同时，计算结果表明：桩基础竖向位移和桩体最大轴力的增加幅度均比路基荷载单独作用时的小，桩底土最大支撑力和桩侧摩阻力的增加幅度均比路基荷载单独作用时的大，这是由于附加的轴向荷载作用使得桩基础相对于土层向下位移变大，导致桩基础负摩阻力效应的降低。

4 结论

通过建立桩土有限元模型，结合不同荷载状况，研究了负摩阻力作用下高速铁路桩基础承载性状的变化，得到的结论为：

1）高铁桩基础考虑由堆载产生的负摩阻力效应后，将使桩基础的承载特性发生变化，具体表现为不考虑桩基础上部荷载时，桩基础的竖向位移显著增加，同时桩体出现拉应力。

2）考虑高铁桩基础上部荷载后，将使得桩基础相对于土层向下运动，桩基础负摩阻力效应降低，桩体在该种状态下没有产生拉应力。但随着路基荷载增加，拉应力有出现的趋势。

3）考虑高铁桩基础上部荷载后，桩基础负摩阻力效应降低，桩基础的竖向位移和桩体的最大轴力较不考虑上部荷载时的增加幅度均减小。

4）在本研究的荷载工况下，考虑负摩阻力后，结构（桩土以及桩土界面）仍然处于线性阶段，桩体侧壁以及桩底与土基之间没有出现大变形。

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