深厚软基区桥梁桩基竖向承载特性

冯忠居， 李孝雄,2， 苏航州，王富春，王溪清，建鑫龙， 许万贵， 叶方才

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 2.滁州学院 地理信息与旅游学院，安徽 滁州 239000；3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司， 陕西 西安 710065； 4.广东大潮高速公路有限公司，广东 广州 514247； 5.宁波公路市政设计有限公司，浙江 宁波 315100)

0 引 言

中国的东南沿海地区软土分布广泛，影响软基区桥梁桩基础的力学与变形特性，高速公路桥梁工程穿越软基区，其基础形式主要为桩基础，深厚软基区桥梁桩基的受力状况显著区别于其他地区桩基：深厚软基区桥梁桩基由于软土的高压缩性、高含水量、低强度和低密实度等工程特性，在一定深度内桩侧土体软化，桩基承载力降低、沉降量加大。

目前，国内外研究学者对深厚软基区桥梁桩基的受力与变形机理进行了大量的研究。曾开华等认为，在柔性基础下复合地基可发挥桩间土的承载能力，其桩-土应力比的变化趋势为先减小后增大[1]。Oh Young In等对海相沉积软土地区桩-网复合地基的有效性和如何减少沉降差异进行了研究[2]。Khatri等利用有限元分析和线性规划的方法研究承载系数在轴向力增加情况下的变化过程[3]。魏栋梁等基于试验所测得的数据，结合大理洱海软土土层结构、性质特点，用有限元法对钻孔灌注桩的受力性状进行仿真模拟[4]。张强釆用有限差分软件FLAC3D对深厚软土区超长桥梁基础的变形特性进行数值分析，得到了各施工工况下地基的应力场和位移场、群桩桩身轴力分布、群桩基础变形、桩-土荷载分担比[5]。武星等建立了软土地基中摩擦型桩基-土相互作用的轴对称模型，并提出了工程中摩擦桩设计合理桩长的概念[6]。郑明新等采用ABAQUS研究发现，在深厚软基上进行小厚度的填土会对邻近桩基产生较大的影响[7]。影响深厚软基区桥梁桩基础竖向承载特性的因素复杂多变，针对某一影响因素开展的研究不够全面，故冯胜洋[8]对深厚软基区桩基础工后沉降特性进行了大量的研究；陈旻[9]基于现场静载试验研究了深厚软土地区桩基在荷载作用下的桩身应力、桩顶沉降量及桩端沉降量等的变化规律；张敏[10]等采用联合测试法确定出了深厚软基区深长桩基础压缩层厚度；杨明辉提出了深厚软基区超长群桩有效桩长的确定方法。

基于笔者在桥梁桩基础方面取得的研究成果[11-13]，本文选取软土层厚度、桩长、桩径作为研究变量，采用理论分析与数值仿真分析等手段对深厚软基区桥梁桩基竖向承载特性进行分析，深入研究深厚软基区桥梁桩基在竖向荷载作用下的桩基竖向极限承载力、桩侧阻力及桩端阻力变化规律。

1 竖向荷载作用下的桩基受力与变形特性

1.1 桩侧阻力特性

软土由于高压缩性、高含水量和低密实度等工程特性易产生沉降。当地基土沉降小于桩基沉降时，地基土对桩侧表面产生向上的摩阻力；当地基土的沉降大于桩的沉降(桩身压缩及桩尖下沉)时，桩侧土相对于桩向下移动，压缩的地基土对桩侧产生向下的摩阻力，即负摩阻力，如图1所示[14]。桩身分布负摩阻力时，一般存在中性点，在该深度桩-土相对位移为零、桩身摩阻力为零。当桩基沉降大于桩周土体沉降时，桩侧只存在正摩阻力，但由于软土强度较低，表现为软化特性，桩侧摩阻力分布为R形。

图1 深厚软基区桥梁桩基侧摩阻力

1.2 桩端阻力特性

桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥是相互影响的，因软土抗剪强度低，提供桩侧摩阻力较小，且软土由于固结和次固结产生较大沉降，桩侧易产生负摩阻力，因而桩端需提供较大承载力。相同地质条件下，桩端阻力随着桩顶沉降量的增加而增大。

1.3 竖向荷载下桩-土相互作用模型

竖向荷载作用下桩-土相互作用主要为桩与土层之间的接触问题，即桩侧阻力和桩端阻力如何发挥。桥梁桩基础位于软土范围内时，桩侧摩阻力和桩端承载力降低；当桩穿越软土层时，下伏较硬土层抗剪强度高、压缩量较小，因此位于软土下伏较硬土层内的桩侧阻力、桩端承载力均有所增加，桩基承载力高于未穿越软土层的桩基，且桩顶沉降量较小。

2 竖向荷载作用下的桩基承载特性数值仿真分析

2.1 模型建立及参数选取

依据桩基础的力学特性和数值计算对桩周土影响范围的要求，桩周土范围取10倍桩径，桩端土层厚度为0.5倍桩长，建立桥梁桩基的桩-土几何模型，如图2所示。单元划分采用六面体八结点的实体单元，把实体离散成有限元单元时，尽可能加密桥梁桩基及桩周土单元，由近到远、由密到疏地过渡，如图3所示。

模型计算参数根据地质勘察资料及相关规范取值，见表1。

2.2 数值模型方案

采用不同的竖向荷载分级加载，分析深厚软基区桥梁桩基础的竖向承载特性，见表2。

2.3 计算结果分析

2.3.1 软土厚度变化对桩基竖向承载特性的影响

通过在桩顶逐级施加荷载，得到桩长30 m、桩径1.0 m时不同软土厚度下桩基础的P-S(桩顶施加荷载-桩顶竖向位移)曲线，如图4所示。

图2 桩-土模型

图3 有限元分析模型

表1 有限元分析模型的材料参数

表2 计算工况

图4 不同软土厚度的桩基P-S曲线

由图4可见：在每级所加荷载作用下，桩顶的沉降量均未超过前一级沉降量的5倍，软土厚度H变化时的桩基P-S曲线基本为缓变型，无明显拐点；在相同桩顶竖向荷载作用下，桩顶位移随软土厚度的增大而增大；当软土厚度超过30 m(桩端位于软土层中)，桩基P-S曲线的变化规律相同。

取桩顶位移为40 mm对应的承载力作为桩基极限承载力，按式(1)计算桩基极限承载力随软土厚度变化的规律，结果如图5所示。

Δ1=(PH-P0)/P0

(1)

式中：Δ1为软土厚度变化时极限承载力的变化幅度；PH为软土厚度为H(H≥0 m)时桩基的竖向极限承载力；P0为软土厚度为0时桩基的竖向极限承载力。

图5 不同软土厚度时的桩基竖向极限承载力变化规律

由图5可见，随着软土厚度的增大，桩基竖向极限承载力逐渐减小，软土厚度超过桩长时，桩基竖向极限承载力减小幅度变小。软土厚度分别为5、10、15、20、25、30、35、40、45 m时，桩基竖向极限承载力较无软土时桩基竖向极限承载力(7 598 kN)分别降低了14.3%、27.2%、40.9%、54.4%、68.1%、85.1%、87.4%、87.4%和87.4%。桩基承载力达到极限值所对应的桩侧阻力与桩端阻力的分配情况如图6所示。

图6 不同软土厚度时的桩端阻力和桩侧阻力

由图6可见：软土厚度小于30 m时，随着软土厚度的增大，桩端阻力逐渐增大，同时桩端阻力占极限承载力的比重亦逐渐增大；软土厚度大于30 m时，随着软土厚度的增大，桩端阻力逐渐减小，同时桩端阻力占极限承载力的比重亦逐渐减小。随着软土厚度的增大，桩侧阻力降低趋势显著；软土厚度小于30 m时，桩侧阻力占极限承载力的比重随着软土厚度的增大逐渐减小；软土厚度大于30 m时，桩侧阻力占极限承载力的比重随着软土厚度增大而增大。这说明桩基未穿越软土层时，桩基承载力显著减小，且桩基承载力以桩侧阻力为主。

2.3.2 软土厚度与桩长变化对桩基竖向承载特性的影响

通过在桩顶逐级施加荷载可得到桩径为1.0 m时不同软土厚度与桩长下桩基竖向极限承载力的变化规律。取桩顶位移40 mm对应的承载力作为桩基极限承载力，按式(2)计算桩基极限承载力随软土厚度与桩长的变化规律，结果如图7、8所示。

Δ2=(P1-P2)/P2

(2)

式中：Δ2为软土厚度与桩长变化时极限承载力的变化幅度；P1为软土厚度与桩长变化时的极限承载力；P2为软土厚度与桩长为10 m时的极限承载力。

图7 不同软土厚度与桩长的桩基竖向极限承载力的变化规律

图8 不同软土厚度与桩长的极限承载力变化幅度的变化规律

由图7、8可见，桩基竖向极限承载力随桩长的增大而增大，增大幅度与桩端相对于软土层的位置有关。桩端未穿越软土层时，桩基竖向极限承载力随桩长的增大幅度较小；而桩端穿越软土层时，其增大幅度较大。以软土厚度为30 m为例，桩长分别为20、30、40、50 m时的桩基竖向极限承载力分别为1 467、2 615、8 252、12 147 kN，较桩长为10 m时的797 kN分别增大了84.0%、227.9%、934.9%和1 423.4%。当桩基承载力达到极限值时，所对应桩侧阻力与桩端阻力的分配情况如图9、10所示。

图9 不同桩长时的桩端阻力

图10 不同桩长时的桩侧阻力

由图9、10可看出，桩端阻力随桩长的变化规律和桩端与软土层的相对位置有关，桩基穿越软土层时的桩端阻力明显大于未穿越软土层时的桩端阻力。当桩基未穿越软土层时，随着桩长的增大，桩端阻力随之增大，桩端阻力占极限承载力的比重则随之减小。当桩基穿越软土层，且桩长小于40 m时，桩端阻力随桩长的增大而减小；桩长大于40 m时，桩端阻力随桩长的增大而增大，但桩端阻力占极限承载力比重则始终随桩长的增大而减小，表现出超长桩的特性。因此，在深厚软基区可将桩长大于40 m的桩基定义为超长桩。

2.3.3 软土厚度与桩径变化对桩基竖向承载特性的影响

通过在桩顶逐级施加荷载可得到桩长为30 m时不同软土厚度与桩径下桩基竖向极限承载力的变化规律。取桩顶位移为40 mm时的承载力作为桩基极限承载力，按式(3)计算桩基极限承载力随软土厚度与桩径的变化规律，结果如图11、12所示。

Δ3=(P3-P4)/P4

(3)

式中：Δ3为软土厚度和桩径变化时极限承载力的变化幅度；P3为软土厚度和桩径变化时的极限承载力；P4为软土厚度和桩径为0.9 m时的极限承载力。

图11 不同软土厚度与桩长的桩基竖向极限承载力变化规律

图12 不同软土厚度与桩长的极限承载力变化幅度变化规律

由图11、12可见：当软土厚度小于30 m、桩基全部穿越软土时，桩基竖向极限承载力随桩径的增大而增大；桩径大于1.2 m时，桩基竖向极限承载力变化幅度明显增加，因此桩端位于较硬土层时，增大桩径可有效提高桩基的竖向极限承载力；软土厚度大于30 m且桩基全部位于软土中时，桩径的变化对桩基竖向极限承载力的影响不大。当桩基承载力达到极限值时，所对应的桩侧阻力与桩端阻力分配情况如图13、14所示。

图13 不同桩径时的桩端阻力

图14 不同桩径时的桩侧阻力

由图13、14可见：当桩径不大于1.2 m，随着桩径的增大，桩端阻力逐渐增大，且桩端阻力占极限承载力的比重亦逐渐增大；当桩径大于1.2 m，随着桩径的增大，桩端阻力逐渐减小，且桩端阻力所占极限承载力的比重亦逐渐减小；桩端位于软土与较硬土层交界面时，随着桩径的增大，桩端阻力逐渐增大，但桩端阻力占极限承载力的比重在桩径不大于1.2 m时增大，桩径大于1.2 m时减小；当桩径不大于1.2 m，随着桩径的增大，桩侧阻力逐渐增大，但桩侧阻力占极限承载力的比重逐渐减小；当桩径大于1.2 m，随着桩径的增大，桩侧阻力逐渐增大，且桩侧阻力所占极限承载力的比重也逐渐增大。由此看出，当桩径超过1.2 m时，桩端阻力减小，相应的桩侧阻力增大，桩端阻力存在尺寸效应。因此，深厚软基区桥梁桩径大于1.2 m时可定义为大直径桩。

3 工程建议

(1)软土厚度对桥梁桩基础竖向承载特性的影响较大，当软土厚度超过桩长时，桩基竖向极限承载力降低可达80%以上，且桩基承载力以桩侧阻力为主。因此，工程设计时应充分考虑软土厚度对桥梁桩基础竖向承载特性的影响，合理选取桩长。

(2)将桩长大于40 m、桩径大于1.2 m定义为深厚软基区超长桩及超大直径桩，其承载特性显著区别于较小桩基。因此，当实体工程中桩长大于40 m、桩径大于1.2 m时，应专门考虑设计的合理性和安全性。

4 结 语

(1)桥梁桩基竖向极限承载力随着软土厚度的增大而减小，以软土厚度等于桩长为分界点。当软土厚度小于桩长时，桩基竖向极限承载力降低显著，但桩端阻力增大，桩侧摩阻力减小；软土厚度超过桩长时，桩基竖向极限承载力降低幅度变缓，桩端阻力及桩侧阻力均减小。

(2)当桩基穿越软土层且桩长大于40 m时，表现出超长桩的特性，将桩长大于40 m的桩基定义为深厚软基区超长桩；当桩径不大于1.2 m，表现出大直径桩的尺寸效应，故将桩径大于1.2 m的桩基定义为深厚软基区大直径桩。