基于极限平衡法的桩基偏位机理数值模拟研究

倪洁 陈永辉

摘要：随着我国经济发展和城市化进程的加快，基础设施建设技术日趋成熟，以高架桥、高速铁路为代表的道路交通发展尤为迅速。在沿海深厚软土区，桥梁桩基周围堆载可能导致软土层中产生贯通滑动面，使樁身受到滑动土体压力发生偏位。本文利用ABAQUS软件模拟桩周土体滑动过程中桩身受力分布，研究桩身极限土抗力的分布规律，为偏位桩质量校核提供指导。

关键词：深厚软基;极限平衡法;数值模拟;桩身受力

中图分类号：TU 443     文献标识码：A

一、引言

桥梁受力主要依靠桥梁桩基，在深厚软土区，桥梁桩基深度可达40m，路基堆载可导致软土层中形成贯通的滑动面，滑动土体对邻近桥梁桩身施加侧压力，导致桩身挠曲甚至发生弯曲破坏，相关学者对桩土相互作用和桩动力性状有深入的理论研究。Poulos[1]把桩身划分为若干等长的小段，假设每个小段上土体反力为常数，系统地研究了水平受荷单桩在弹性土体中的受力性状。Naylor[2]利用有限元软件分析了桩身在荷载作用下的位移模式以及桩身受力情况。本文利用ABAQUS软件建立均质地基中单桩受力模型，研究桩周极限土抗力的变化情况，并采用等效简化方法获得极限土抗力分布，为建立桩身受力计算模型奠定基础。

二、单桩受力模型建立

采用三维有限元模拟桩土体系，模型为深47m的均质土体，土层在x方向滑动，在y方向对称。x方向地基长40m，滑动土体长30m，滑动面深12m;y方向土体厚10m，桩体为长42m的管桩。选用弹性模型模拟桩体，摩尔库伦模型模拟桩周软土。约束土体x向和y向位移，z向不施加约束。对滑动土体施加x正向水平位移荷载后，解除滑动土体两侧x向约束，使上层土体能够水平滑动，约束桩底各向转角和位移。

三、单桩受力结果分析

对上层滑动土体左侧面分级施加水平向右的位移荷载直至计算不收敛，研究土体滑动距离与桩土间作用力的关系，土体和桩体的材料参数见表1。

从桩土水平位移可得，上层土体中桩身右侧以及下层土体中桩身左侧均出现桩土分离现象。土体最大位移达6.5m，出现在滑动土体右侧无约束面。滑动土层的水平位移平均超过4m，远大于土体压缩可形成的水平位移，故可忽略土体压缩对位移的影响。滑动面以上桩土的差异位移较大，且越接近地表的差异位移越大。

当滑动土体左侧面水平位移为5m，桩左、右侧面土抗力值以及桩身合力见图1。滑动土体中桩身左侧土体达到极限破坏，土抗力随深度线性增加，桩身右侧与运动土体脱离接触，土体抗力为0。滑动面以下约4m深度内土体达到极限破坏强度，土抗力随深度增加而增大，达到558kN/m之后减小。深度4m以下土体未破坏，对桩身的压力随着与桩协调变形的减小而减小。桩底部土出现正向土抗力，根据桩身的水平位移判断该深度桩身有水平负向位移，产生“S”型弯曲，弯曲挠度小于2cm。

根据不同位移荷载下桩身受力模拟结果，得到土抗力与土体滑动距离关系，见图2。滑动土体和滑动面以下4m深度内土体对桩身的压力均随着位移的增加趋于恒定值，该值即为极限桩周土可提供的极限土抗力值。滑动土体移动距离在4m～5m之间时，桩身的受力分布变化较小，桩身受力平衡，不产生新形变。

将图2模型深度24m以下的土抗力移到滑动面以上土体中，设置为作用深度为12m的均布荷载。并对简化后的模型进行线性拟合，得到土抗力Pu随深度x的变化规律。当运动土体位移较大、桩土之间出现差异位移时，与桩接触部分的运动土体达到极限强度，其对桩身作用力Pu为与深度x有关、与水平位移大小无关的恒定值，可表示为：

四、本章小结

通过ABAQUS数值模拟建立滑动软土层中桩土受力模型，研究了在均质地基中极限土抗力的分布规律，得到以下结论：

（一）深厚软土桩基区域，软土滑动导致桩身偏位过程中，滑动面以上桩土出现水平差异位移，位移量远大于土体压缩量。滑动面以上桩土的差异位移较大，且越接近地表的差异位移越大。

（二）随着滑动土体位移增大，土体对桩身的压力趋于恒定值，桩身受力平衡，不产生新形变。滑动面上下土抗力方向由正变负，此时桩身受力为极限状态。

（三）桩周土抗力存在极限值，对于既定参数的土体，桩周土对桩身的最大作用力与桩土位移无关，只深度有关。

参考文献：

[1]Poulos H G， Davis E H. Pile foundation analysis and design[M]. New York： Wiley， 1980.

[2]Naylor D J. Finite element study of embankment loading on Piles[R]. Swansea： University College of Swansea， 1982.

作者简介：

倪洁，河海大学土木与交通学院，从事地基处理相关研究。