软粘土地层桥台桩基础沉降分析

刘炽

【摘要】在粘土地层修筑结构物时，由于地层的特殊性，极易导致结构物的沉降，尤其是在桥梁桩基施工时，沉降可能导致桥台坍塌，因此，以某软粘土地层桥台桩基础施工工程为依托，采用数值模拟方法，研究了软粘土地层桥梁桩基础的沉降特性。结果显示，桩基础的最大沉降量为0.68cm，沉降特点为后排桩大于前排桩，中间两列桩大于左右两边桩，沉降值的增加主要发生在路堤填筑施工阶段。

【关键词】桥梁工程 粘土固结 桥台 钻孔灌注桩 数值模拟 沉降

引言

在软土地基路桥过渡段，桥台通常采用桩基础形式，其自重直接作用于软土地基上，致使桥台和路堤填料在竣工后也可能发生较大的沉降变形。桩基沉降问题一直以来都是工程界和学术界的重点和难点。张宏[1]通过现场测试分析研究了高速铁路软土地基桥梁桩基础的沉降。王波[2]通过现场试验及有限元分析手段对桥台桩负摩阻力进行了研究。梁启龙等[3]应用有限元方法分析研究了桥台桩基础沉降。郭志川和刘宁[4]分析研究了地基固结沉降随机有限元计算和可靠度。但在众多研究内容中，针对软土地层桥台桩基础沉降的研究较为鲜见。基于此，本文依据比奥勾结理论，采用有限元数值模拟方法，分析研究软弱地基桥台桩基础台后路堤填筑过程中桥台桩基础的沉降特性。

1、工程概况

某桥台位于太湖湖积平原，地形平坦，地面标高2.5m左右，年平均降雨量144cm左右，年平均气温4.5～16.3°C。桥台所处地段软土层厚度较大，最厚14.6m、最薄10.0m，软土与硬壳层界限稳定，但与下卧层的交界面有一定的起伏，呈倾斜状，下卧层为中等压缩性。

桥台基础和桩参数：基础板尺寸8.5×10.2m，厚度2.0m，12根（3×4）钻孔灌注桩、桩径1m、桩长43m、桩的纵向间距2.7m、横向间距3.2m。

2、数值模拟

2.1基本假定

使用MIDAS NX 有限元模拟软件，淤泥质粘土满足修正剑桥粘土屈服准则，其他土层满足摩尔-库伦屈服准则，桥台、基础板、桩基础满足弹性变形特性，钻孔灌注桩桩体采用梁单元模拟，桩-土接触采用桩界面单元和桩端界面单元模拟，地层水位在Z=-2m处，考虑空间效应，采用三维模型进行模拟。

2.2参数选取

选用某高速铁路桥台桩基础所处区域地层取样实验参数和桥台桩基础设计参数，桩界面单元和桩端界面单元参数采用实验室条件下粘土-桩荷载实验所得参数，模型参数见表1、表2，有限元模型见图1。

3、结果及分析

由图2可知：①第一排桩沉降值<第二排桩沉降值<第三排桩沉降值，桩体的竖向位移最大值发生在3-2桩顶位置，为0.68cm，由此说明随着路堤填筑施工，桩体紧靠路堤的一侧沉降较大而远离路堤的一侧沉降较小；②基础板远离路堤的一侧沉降较小为1.25cm，靠近路堤的一侧沉降值较大为4.79cm。

提取桩1-1至桩3-4，共计12根桩桩顶沉降值，绘出桩竖向位移随施工时间的变化曲线如图3，由图可知在桥台施做阶段，各桩的差异沉降较小，在桥台施做10天时，最大差异沉降为0.05cm，其中第二和第三排桩中间2-2、2-3、3-2、3-3的沉降值基本相等，沉降较大。两边2-1、2-4、3-1、3-4的沉降值基本相等，沉降较小。差异沉降的增长主要发生在路堤填筑阶段，其差异特点为后排桩的沉降值明显大于前排桩，路堤填筑完成时，最大差异沉降为0.31cm，各排桩中，中间两根桩的沉降值相等且较大，两边的桩沉降值较小。

由图4桩体相对位移，可知桩体相对位移的最大值发生在桩顶一端为负值，桩体相对位移绝对值：第一排桩<第二排桩<第三排桩，桩体相对位移大约在Z=-9m（桩顶坐标为Z=-2）处发展为正值，虽大相对位移出现在3-2桩上为-3.5cm。

由图2和图4可知桩体沉降的最大值和相对位移值出现在3-2桩上，故提取3-2桩上各点为研究对象分析3-2桩相对位移和总沉降值沿Z坐标上的分布（桩顶位于Z=-2m处）。由图5可知，桩体的竖向总位移值和相对位移值随着Z轴的延伸呈向正值发展的趋势，其中Z=-5～-11m范围，桩体相对位移向正值发展的幅度较大，在桥台施做10天时，该范围相对位移从-1.45cm增加到0.2cm，在路堤填筑60天时，该范围相对位移从-3.27cm增加到0.36cm。路堤填筑完成两年后，桩体的总沉降值增加0.005cm，相对位移增加0.04cm。路堤填筑60天的桩体总沉降值大于桥台施做10天的总沉降值，而相对位移曲线在Z=-9m附近发生交叉。

结语：

数值模拟结果显示，桩体沉降的特点表现为前排桩大于后排桩，中间桩大于两侧桩，群桩沉降的最大值出现在3-2号桩的樁顶位置为4.79cm。土层在Z=-2～-9m范围沉降值较大且大于桩体沉降值，在Z=-9～-45m范围沉降较小且小于桩体沉降值。

参考文献：

[1]张宏 高速铁路软土地基桥梁桩基础的沉降分析[D].长沙：中南大学，2008.

[2]王波 桥台桩负摩阻力现场试验及有限元分析[D].南京：河海大学，2006.

[3]梁启龙，谢志勇，宁贵霞.桥台桩基础沉降的有限元分析[J].甘肃科学学报，2008，20（1）：152-155.

[4]郭志川，刘宁.地基固结沉降随机有限元计算和可靠度分析[J].岩土力学，2001，22（4）：481-485.