软基堆载对临近桥梁桩基的影响分析

■　陈秀琼（福州福永高速公路有限责任公司，福州　350008）



软基堆载对临近桥梁桩基的影响分析

■陈秀琼
（福州福永高速公路有限责任公司，福州350008）

摘要本文采用有限元软件模拟了在软基上的堆载对临近桥梁桩基的影响，分析了堆载规模等6种因素与桥梁桩基位移和弯矩的关系。结果表明：堆载宽度、堆载高度、软土层厚度对于桩基位移和弯矩的影响最高，堆载会对桥梁桩基产生明显的变形，原则上应避免在桥梁两侧进行堆载。

关键词软基堆载桥梁桩基被动桩分析与研究

在实际桥梁工程中，主要考虑的是桩顶荷载和桩侧摩阻力荷载对桥梁结构所造成的影响，对于桩侧受力的研究较少。在桩侧受力情况下，桥梁桩基起到“被动桩”的作用。“被动桩”是指桩基由于桩身周围土体在自重和荷载作用下产生水平方向的作用而受到影响，却并不直接承受外荷载，在侧向堆载下导致土体各向变形对邻近桩基产生了侧向力的作用［1-4］。

随着福建省公路建设的不断发展，截至2015年年底，全省高速公路里程超过5000公里，在未来几年，尚需完成更多里程的公路建设。在桥梁桩基的修筑过程中，常常由于桩基附近随意堆载引起地面下沉，以致桩基受到软土层侧向位移的影响，导致桩体弯矩和变形过大，使相邻桩基产生水平位移，从而引起桥梁等结构功能失稳甚至引发事故。因此，研究软土地基堆载下对邻近桥梁桩基的影响具有重要意义。因此，本文在前人研究的基础上，采用有限元软件从堆载大小等6种因素进行模拟分析，为实际工程提供参考依据。

1　数值分析模型

1.1计算模型

本文采用岩土软件GeoStudio中的Sigma/W模块来进行二维有限元分析，模拟并计算堆载荷载对临近桥梁桩基所产生的弯矩和位移。

采用计算模型如图1所示，计算范围100m宽，有限元模型计算网格（不含桩头承台），在模拟过程中桥梁采用梁单元计算堆载对桥梁产生的弯矩，而在计算桥梁位移时桥梁采用网格单元能够更接近实际结果。边界约束条件在桥梁为梁单元时采用弹性支座约束，即认为在边界处弯矩为零，在桥梁为网格单元时采用固定支座约束，认为在边界处位移为零。地下水位埋深假定为5m，土层自上到下分别为素填土、软土、粉质粘土、砂土状强风化、碎块状强风化和中风化。由于在桥梁两侧随意堆载的情况在施工现场屡见不鲜，因此堆载假定为弃土场的任意堆载，堆载土为有一定碾压过的粘土，分为6层堆载，每层堆载计算时间为6d，堆载坡度假定为1：1。

图1　数值计算的基本型（单位：m）

1.2计算参数

计算参数中软土采用修正剑桥模型，由于其参数钻探资料未涉及，因此选用参考文献［3］中的参数（表1），土层参数参考实际工程钻探资料而制定，其参数见表2，其余土层采用线弹性模型，见表3。桥身钢筋混凝土材料选用各向异性线弹性模型，其中混凝土弹性模量取值18GPa，钢筋取值200GPa，钢筋混凝土材料y方向弹性模量取值为钢筋和混凝土各自弹性模量的加权平均值，x方向弹性模量不考虑钢筋，取混凝土弹性模量，具体数值见表3。

表1　软土修正剑桥模型参数［3］

表2　各土层物理力学参数

表3　各土层物理力学参数

2　计算结果

基于以上模型，本文对6种主要影响因素与堆载对邻近桥梁桩基所产生的位移和弯矩之间的关系进行计算。根据前人研究［4-6］的结论，堆载对桥梁产生的横向位移远远大于竖向位移，右桩的整体位移大于左桩整体位移，因此分析位移时采用右桩身的横向位移，位移方向水平向左；由于系梁的传递作用，左桩身的弯矩大于右桩身，因此分析弯矩时采用左桩身的弯矩。

2.1堆载的影响

本节主要从堆载高度、堆载宽度和堆载距离三个方面分析堆载自身因素对桥梁的影响。

2.1.1堆载高度

堆载高度是最直接影响堆载大小的因素，从图2的计算结果可以看出：堆载高度为1m到6m的不同高度下，桥梁右桩基最大横向位移分别为0.48cm、1.07cm、1.86cm、2.87cm、3.92cm和4.92cm，呈明显增大趋势，随深度的增加呈先增大后减小的趋势，最大值约位于软土层11m厚深度处，因为此处软土变形值最大；左桩基最大横向位移分别为0.30cm、0.71cm、1.44cm、2.50cm、3.61cm和4.66cm，同样随深度呈先增大后减小的趋势，最大位移位于系梁处，其总体位移略小于右桩基，因此在下文分析时采用右桩基横向位移进行分析。

从图3的计算结果可以看出：在堆载高度从1m到6m的变化过程中，桥梁右桩基最大弯矩分别为471.1、946.1、1437.4、1993.6、2538.1和3016.8（单位kN·m，方向为负），呈明显增大趋势，随深度的增加总体趋势呈先增大后减小的趋势，最大值约位于软土层11m厚深度处，因为此处软土变形值最大；左桩基最大弯矩分别为343.9、823.5、1499.0、2304.4、3098.0和3826.8（单位kN·m，方向为负），同样随深度呈先增大后减小的趋势，最大弯矩位于系梁处，其最大弯矩大于右桩基，因此在下文分析时采用左桩基弯矩进行分析。

图2　不同堆载高度桩身横向位移随深度变化曲线

2.1.2堆载宽度

统一荷载堆载大小与标准计算模型时一致，即为88.92kN/m，左坡脚与桥梁距离也不变，改变荷载堆载底宽，分别取宽度为20m，25m，30m、35m和40m的荷载，模拟不同荷载宽度下桥梁桩基横向位移和桩身弯矩变化。得出结论如图4所示，桩身最大位移分别为3.95cm、4.92cm、5.60cm、5.96cm和6.19cm，随堆载宽度增大呈明显增大趋势。

不同宽度下，桩身最大弯矩分别为3458.0、3826.7、3977.4、3933.5和3843.8（单位kN·m，方向为负），可以看出，桩身最大弯矩随宽度的增加呈先增大后减小的趋势，在30m时达到最大值，之后减小，其原因是因为随着堆载的宽度不断增大，其重心也不断偏离桥梁，堆载所造成的最大地基变形区域也不断远离桥梁，同时，由于宽度增大造成的桥梁位移增加，也释放了一部分能量，从而减小桥梁的作用力。

图3　不同堆载高度桩身弯矩随深度变化曲线

2.1.3堆载距离

不改变荷载的高度和宽度，改变堆载与桥梁的距离，以堆载右坡脚为基点距离桥墩左桩的距离为基准，分别取距离为2m、5m、7m、10m、12m、15m、20m和 25m的堆载，模拟不同荷载宽度下桥梁桩基横向位移和桩身弯矩变化。得出结论如图5所示，桩身最大位移分别为4.92cm、5.22cm、5.45cm、5.79cm、5.94cm、6.06cm、5.78cm和4.55cm，呈先增大后减小趋势，最大值在距离为15m时取得，其原因是在堆载离桩基较近的时候，桩身限制了地基沉降变形，从而对桩基的影响也有限，在15m时沉降达到最大，从而对桩基影响达到了最大，之后由于距离增大，逐渐远离桩基，影响逐渐减小；

桩身最大弯矩分别为3826.8、3510.6、3320.5、3047.0、2876.1、2647.5、2240.5和1614.6（单位kN·m，方向为负），弯矩值随堆载距离的增加而减小。

图4　不同堆载宽度桩身位移和弯矩随深度变化曲线

2.2其他因素的影响

除了堆载本身尺寸外，还有众多因素对桥梁结构位移产生影响，例如地基承载力状况，荷载作用等，本节主要分析软土淤泥层厚度、硬壳层厚度和桩顶荷载的影响。

2.2.1软土层厚度的影响

不同厚度的软土淤泥层，在相同堆载作用下产生的位移必然不相同，对桩基产生的挤压作用也不同，本节选取不同厚度的软土层（10m、15m、20m和25m）进行分析计算。计算结果如图6所示，从图中可以看出：桩身最大位移分别为2.99cm、4.09cm、4.75cm和4.92cm，桩身位移随软土层厚度的增加而增加；桩身最大弯矩分别为2231.7、3008.6、3570.3和3826.7（单位kN·m，方向为负），桩身弯矩随软土层厚度的增加而加大。

2.2.2硬壳层厚度的影响

地基表面的硬壳层即素填土厚度对桩基位移大小也会产生影响，本节选取不同厚度的硬壳层（1m，2m，3m，4m和5m）进行分析计算。计算结果如图7所示，从图中可以看出：桩身最大位移分别为4.92cm、4.42cm、4.04cm、3.81cm和3.67cm，桩身位移随硬壳层厚度的增加而减小；桩身最大弯矩分别为3840.3、3333.5、2911.0、2562.3和2285.3（单位kN·m，方向为负），桩身弯矩随软土层厚度的增加而减小。

2.2.3桩顶荷载的影响

图5　不同堆载距离桩身位移和弯矩随深度变化曲线

桩顶荷载主要包括行车荷载和人群荷载，选取不同大小的桥面荷载（0kPa、10kPa、20kPa、30kPa、40kPa）进行分析计算。计算结果如图8所示，从图中可以看出：桩身最大位移分别为4.92cm、5.00cm、5.08cm、5.17cm和5.28cm，桩身位移随桩顶荷载的增加而增加；桩身最大弯矩分别为3840.3、3705.4、3571.5、3510.2和4263.1（单位kN·m，方向为负），桩身最大弯矩随软土层厚度的增加呈先减小而后增大趋势，在系梁处弯矩不断减小，而桥面板处弯矩不断增大。

综合总结对比以上影响因素可以得出结论，堆载宽度、堆载高度和软土层厚度对桥梁桩身位移和弯矩的影响较大，堆载距离、硬壳层厚度和桩顶荷载影响较小。

3　结语

本文通过采用二维岩土有限元软基Geo-studio，对软土地基上的堆载引起相邻桥梁桩基侧向变形效应进行了较详细的分析，得出以下结论：

图6　不同软土层厚度下桩身位移和弯矩随深度变化曲线

图7　不同硬壳层厚度下桩身位移和弯矩随深度变化曲线

图8　不同桩顶荷载下桩身位移和弯矩随深度变化曲线

（1）堆载高度达到6m时，桩身最大位移达到4.92cm，将对桩基造成明显地破坏，桩基将可能出现开裂等状况，说明桩侧堆载对桩基变形造成明显影响，应严格采取措施预防此状况发生。

（2）本文堆载位于桥梁右侧，在堆载作用下桥梁右桩基最大位移值和最大弯矩值出现在软土层约11m厚度处，桥梁左桩基最大位移值和最大弯矩值出现在系梁处，桥梁右桩基位移值略大于左桩基，左桩基最大弯矩值大于右桩基。

（3）桩基位移随堆载高度、宽度的增加呈明显增大趋势，随堆载距离的增加呈先增大后减小趋势，在距离约15m处达到最大；弯矩随堆载高度、距离的增大而减小，随堆载宽度增大呈先增大后减小趋势，约在30m宽度处达到最大。

（4）桩基位移随软土层厚度和桩顶荷载的增大而增大，随硬壳层厚度的增加而减小；弯矩随软土层厚度的增大而增大，随硬壳层的增大而减小，随桩顶荷载的增大呈先减小后增大的趋势。

（5）堆载宽度、堆载高度和软土层厚度对桥梁桩身位移和弯矩的影响较大，堆载距离、硬壳层厚度和桩顶荷载影响较小。因此，从原则上应避免在桥梁两侧进行堆载，若迫不得已需要堆载时，应从减小堆载规模和软土层加固处理角度进行考虑可以尽可能减小桩基位移。

参考文献

［1］De Beer E.E.The effects of horizontal loads on piles due to surcharge or seismic effects. Proc. 9th ICSMFE，Tokyo，1977，3：547-558.

［2］Leussink H，Wenz K.P.Storage Yard foundations on soft cohesive soils.Proc.7th ICSMFE，Mexico，1969，2：149-155.

［3］陈福全.地面堆载作用下邻近桩基性态数值分析：［同济大学博士后工作报告］.上海：同济大学地下建筑与工程系，2003.

［4］熊朝辉.深汕高速公路101滑坡整治新技术－园安抗滑桩明洞.岩石力学与工程学报，2001，20（4）：532-537.

［5］梁发云，黄茂松.被动单桩受轴向荷载作用耦合效应的初步分析［J］.地下空间与工程学报，2010，6（1）：44～47.

［6］黄茂松，张陈蓉，李早.开挖条件下非均质地基中被动群桩水平反应分析［J］.岩土工程学报，2008，30（7）：1017～1023.