沿海陆域地区斜直群桩承载性能数值模拟分析

黄伟洪， 周子煜， 张春霆， 邱红胜

(1.珠海航空城工程建设有限公司，广东 珠海 519000；2.武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)

0 引 言

随着我国沿海地区经济建设的快速发展，大量的桥梁、拱形结构、港口码头、输电塔、高层建筑等工程在沿海陆域地区不断建设。这些工程建筑物往往会产生较大的倾斜荷载，由于倾斜桩具有水平承载性能较高、群桩效应小以及沉降小等特点，被广泛应用于上述结构物的群桩基础中。倾斜桩的承载过程就是侧阻力，端阻力以及桩身斜下方土体的支承力相继得到发挥的过程[1]，当群桩中有斜桩参与承受横向荷载时，桩顶位移，桩身内力和裂缝宽度都有不同程度的减小，因此直斜桩群更适合拱桥基础[2]。

近年来不少学者对斜桩承载力进行了研究。目前针对斜桩的研究主要还是沿用直桩分析研究方法，主要以室内试验[3-6]和数值计算[4，7]为主，近年来也有学者采用p-y曲线法对斜桩进行分析，例如曹卫平等[8,9]基于模型试验获得干砂中斜桩土体反力p和位移y关系，根据桩侧极限土反力、初始地基反力模量与桩身倾角关系构建出斜桩砂土p-y曲线，根据与实测结果对比，p-y曲线应用于斜桩十分合理。顾明等[10]人对水平偏心荷载下的斜桩群桩的承载特性和内力变化规律进行了研究。通过一系列离心机模型试验，对比水平偏心荷载下竖直桩群桩和斜桩群桩的不同工作特性发现：在同等条件下，竖直桩群桩水平承载性能低于斜桩群桩，斜桩群桩抵抗水平偏心荷载的效果更佳。目前针对斜直群桩的承载性能研究较少，因此需要对该类型群桩基础进行分析研究。

1 工程背景及有限元模型建立

金岛大桥是一座非对称异形钢拱桥,如图1所示。该桥位于珠海航空产业园滨海商务区内的金岛路上，跨越主排洪渠，桥梁起点为KC0+132.00，桥梁终点为KC0+232.00，桥孔布置为1×100 m。拟建场地地貌属山前海积平原，经人工吹填形成陆域，勘察期间大部分场地填土整平，最高地面高程4.47 m，最低地面高程0.56 m，平均地面高程3.28 m，地形总体平坦、开阔。

图1 金岛大桥

1.1 现场地质概况

在项目施工前，对金岛大桥现场地质进行钻探，地层分布情况如下：

(1)吹填土：主要构成为粉细砂及少量贝壳碎屑，经吹填形成，颗粒成分均匀，饱和，松散。平均厚度为4.58 m，承载力特征值80 kPa，桩侧摩阻力特征值15.8 kPa。

(2)淤泥：主要构成为黏土细粒和微量腐质壳类碎粒。干强度中等，韧性低。平均厚度为19.74 m，承载力特征值45 kPa，桩侧摩阻力特征值23.6 kPa。

(3)淤泥质土;主要构成为黏土细粒、粉质细粒砂以及微量腐质壳类碎粒。平均厚度为24.56 m，承载力特征值60 kPa，桩侧摩阻力特征值28.5 kPa。

(4)砂质黏土：主要构成为砂质黏土和砾质黏土。平均厚度25.21 m，承载力特征值220 kPa，桩侧摩阻力特征值45.4 kPa，可以作为桩端持力层。

1.2 结构物概况

1～3号拱座承台尺寸为12.4×16.1 m×4.0 m，采用9根直径2.2 m钻孔灌注桩+3根直径1.5m斜桩；4号拱座承台尺寸为16.8×35.9 m×5.0 m，采用24根直径2.2 m钻孔灌注桩+14根直径1.5m斜桩。本文选取2号拱座承台下的桩基为建模对象。拱座构造图如图2和图3所示。

图2 拱座立面图

图3 拱座俯视图

1.3 有限元模型的建立

土体材料参数根据珠海金岛大桥地勘报告中的土层情况进行选取，珠海港区陆域土体材料参数见表1。

表1 土体材料参数表

建立桥梁整体模型，如图4所示。在设计荷载作用下，上部结构施加给拱桥承台的倾斜荷载为16 570 kN，根据斜向荷载设计值，荷载等级选取20 000 kN，分10级加载，每级加载2 000 kN，保证桩基变形处于弹性状态。荷载施加方向与二号拱座所受倾斜荷载方向相同，与水平方向夹角为42°。7°斜直群桩的网格划分和荷载条件图如图5所示。

图4 金岛大桥整体轴力图

图5 7°斜直群桩的网格划分和荷载条件图

1.4 模型验证

为验证有限元模型的准确性，现对单桩竖向承载性能P-S曲线与现场实测进行对比，本文选取2-3、2-7两根桩进行试验，在试验前，各桩已完成声波透射法监测，桩身监测结果均为Ⅰ、Ⅱ类桩。静荷载试验采用慢速维持荷载法，荷载分级标准取预估的单桩极限承载力的1/10，首次加载取2倍的分级标准，当加载到设计荷载时，进行卸载测试，卸载量等于首次加载值。将试验结果与数值模拟结果制成图6。

图6 试验桩单桩承载力P-S曲线

由图6可知，单桩P-S曲线的模拟值和实测值在曲线形态和数值上都十分接近，当单桩承受荷载大于10 000 kN时，数值模拟结果显示桩位移产生陡降，说明单桩承载力极限值约为10 000 kN。数值分析与实测值存在一定误差是由于数值模拟的土层性质与实际土层有一定差异，且没有考虑地下水位影响，但数值结果与实际相近，桩土接触模型较为合理，可用于后续数值分析。

2 计算结果与分析

2.1 不同桩身倾角的斜直群桩数值模拟分析

为了研究斜桩倾角对斜直群桩的影响，本文保持其他参数不变，选取0°、5°、7°、10°、15°五个角度，分析角度的变化对群桩竖向沉降、水平承载力和角、边、中桩应力比的影响。

2.1.1 桩身倾角变化对斜直群桩沉降的影响

通过GTS NX有限元计算后，得到沿海陆域地区不同桩身倾角的斜直群桩沉降值。将不同桩身倾角的斜直群桩Q-s曲线绘制成图7，其中Q表示42°倾斜荷载，s表示沉降值。

图7 不同桩身倾角的斜直群桩Q-s曲线图

由图7可以看到，在20 000 kN荷载作用下，桩身倾角为0°、5°、7°、10°、15°的斜直群桩沉降值分别12.86 mm、9.42 mm、9.46 mm、9.58 mm、11.01 mm。7°斜直群桩的沉降量相比竖直群桩减少了26%，相比15°斜直群桩减少了14%。其中桩身倾角为5°、7°、10°斜直群桩沉降量相差不大，竖向承载力基本相同。不同桩身倾角的斜直群桩沉降值都随着荷载增加而增大，桩身倾角为5°、7°、10°的斜直群桩的Q-s曲线变化趋势基本一致，相对于竖直群桩和15°斜直群桩的Q-s曲线变化较为缓慢。

将斜直群桩最大沉降随桩身倾角变化绘制成图8。

图8 斜直群桩最大沉降随桩身倾角变化曲线图

由图8可以看到，基础最大沉降值随着桩身倾角的增加呈盆型变化，桩身倾角为5°、7°、10°的斜直群桩的基础最大沉降值相差较小，当桩身倾角大于10°时，基础最大沉降值开始增加。由此说明：当桩身倾角在5～10°时，斜直群桩的竖向承载力大于竖直群桩；当桩身倾角大于10°时，斜直群桩的竖向承载力逐渐降低。

2.1.2 桩身倾角变化对斜直群桩水平承载力的影响

通过GTS NX有限元模拟分析，得到沿海陆域地区不同桩身倾角的斜直群桩水平位移值。不同桩身倾角的斜直群桩Q-V曲线图如图9所示。

图9 不同桩身倾角的斜直群桩Q-V曲线图

在20 000 kN荷载作用下，桩身倾角为0°、5°、7°、10°、15°的斜直群桩水平位移值分别4.06 mm、2.75 mm、2.76 mm、2.78 mm、3.65 mm。7°斜直群桩的水平位移量相比竖直群桩减少了32%，相比15°斜直群桩减少了24%。其中桩身倾角为5°、7°、10°的斜直群桩水平位移量基本一致，水平承载性能基本相同。由图9可以看到，不同桩身倾角的斜直群桩水平位移值都随着荷载的增加而增大，桩身倾角为5°、7°、10°的斜直群桩的Q-V曲线变化趋势基本一致，相对于竖直群桩和15°斜直群桩的Q-V曲线变化较为缓慢。

将斜直群桩最大水平位移随桩身倾角变化曲线绘制成图10。

图10 斜直群桩最大水平位移随桩身倾角变化曲线图

由图10可以看到，斜直群桩最大水平位移值随着桩身倾角的变化曲线与最大沉降值的变化曲线一致，都呈盆型变化，当桩身倾角在5～10°时，斜直群桩的水平承载力得到了最大化的发挥。

2.1.3 桩身倾角变化对斜直群桩水平承载力的影响

相同荷载作用下，不同桩身倾角下，桩身的应力云图如图11所示，边桩与中桩、角桩与中桩的桩顶应力比变化曲线如图12所示。

图11 0°、5°、7°、10°、15°斜直群桩应力云图

图12 不同桩身倾角桩顶应力比变化曲线图

由图11可知，随着桩深度的增加，桩竖向应力降低，符合桩应力传递规律。由图12可知,角桩和边桩应力均大于中桩，其中角桩产生的应力更大，将斜桩角度提高到5°，角桩中桩应力比从1.14减到了1.06，边桩中桩应力比从1.1减到了1.02，桩顶应力比下降明显，再增大斜桩角度，应力比将增大。说明桩身倾角在5°时更有利于上部荷载对各基桩的平均分配。

2.2 不同桩长的斜直群桩数值模拟分析

为了研究不同桩长对沿海陆域地区斜直群桩的影响，在7°斜直群桩模型的基础上，保持其他参数不变，建立桩长为40 m、50 m、55 m的斜直群桩模型。研究桩长变化对斜直群桩沉降、水平承载力和角、边、中桩应力比的影响。

2.2.1 桩长变化对斜直群桩沉降的影响

通过GTS NX有限元模拟分析，得到沿海陆域地区不同桩长的斜直群桩沉降值。图13为不同桩长的斜直群桩Q-s曲线图，图14为斜直群桩最大沉降随桩长变化曲线图。

图13 不同桩长的斜直群桩Q-s曲线图

图14 斜直群桩最大沉降随桩长变化曲线图

由图13可知，在20 000 kN荷载作用下，桩长40 m、45 m、50 m、55 m的沉降值分别11.06 mm、9.46 mm、8.66 mm、8.37 mm。斜直群桩的基础沉降值都远远小于40 mm，满足竖向承载力设计要求。当桩长从40m增加到50 m时，斜直群桩沉降减少了22%；当桩长从50 m增加到55 m时，斜直群桩沉降减少了3%。不同桩长的斜直群桩沉降都随荷载的增加而增大，桩长40 m的斜直群桩Q-s曲线变化趋势相对较陡，桩长50 m和桩长55 m的斜直群桩Q-s曲线变化趋势基本一致，较为平缓。

由图14可知，斜直群桩最大沉降随着桩长的增加逐渐减小。当桩长从40 m增加到50 m时，最大沉降值减小的幅度较大。当桩长从50 m增加到55 m时，最大沉降值减小的幅度较小。综上可知，增加桩长可提高斜直群桩基础的竖向承载力，当桩长增加至55 m后，桩长对斜直群桩竖向承载力的提高效果不再显著。

2.2.2 桩长变化对斜直群桩水平承载力的影响

通过GTS NX有限元模拟分析，得到沿海陆域地区不同桩长的斜直群桩水平位移值。图15为不同桩长的斜直群桩Q-V曲线图，图16为斜直群桩最大水平位移随桩长变化曲线图。

图15 不同桩长的斜直群桩Q-V曲线图

图16 斜直群桩最大水平位移随桩长变化曲线图

由图15可知，在20 000 kN荷载作用下，桩长为40 m、45 m、50 m、55 m的斜直群桩基础水平位移分别是4.13 mm、2.76 mm、2.39 mm、2.21 mm。桩顶水平位移值都小于10 mm，满足水平承载力设计要求。当桩长从40 m增加到50 m时，斜直群桩水平位移减少了42%，当桩长从50 m增加到55 m时，斜直群桩水平位移减少了8%。不同倾角的斜直群桩基础桩顶水平位移值都随着荷载的增加而增大，桩长为45 m、50 m、55 m的斜直群桩Q-V曲线变化趋势基本一致，相对于桩长为40 m斜直群桩的Q-V曲线曲线变化较为平缓。

由图16可以看到，斜直群桩最大水平位移值随着桩长的变化趋势与斜直群桩最大沉降值变化趋势基本一致。当桩长从40 m增加到45 m时，水平位移值减小的幅度较大。当桩长从45 m增加到55 m时，水平位移值减小的幅度较小。综上可知，增加桩长可提高斜直群桩基础的水平承载力，当桩长增加至55 m后，桩长对水平承载力的提高效果不再显著。

2.2.3 桩长变化对角、边、中桩应力比的影响

相同荷载作用下，不同桩长下，桩身的应力云图如图17所示，边桩与中桩、角桩与中桩的桩顶应力比曲线如图18所示。

图17 不同桩长斜直群桩应力云图

图18 不同桩长的桩顶应力比曲线图

由图18可知，随着桩长的增加，边桩角桩与中桩的应力比逐渐减小，尤其在桩长为40～45 m时下降明显，说明适当增加桩长可以有效平均分配上部荷载，对充分发挥各桩承载力有积极作用。

3 结 论

本文参考珠海金岛大桥的具体工程实际，对沿海陆域地区斜直群桩基础的工作特性进行了研究和分析。利用GTS NX有限元软件对沿海陆域地区土体中不同桩身倾角和不同桩长的斜直群桩基础进行有限元建模，研究了桩身倾角和桩长的改变对斜直群桩的竖向承载力、水平承载力的影响。主要结论如下：

(1) 在设计荷载20 000 kN作用下，斜直群桩基础沉降随斜桩倾角呈盆型变化，将斜桩倾角设置为5～10°时可以有效提高斜桩在竖直方向上的承载力，这是由于端阻力以及桩身斜下方土体的支承力相继得到发挥。当桩身倾角过大时，斜桩端阻力降低，竖向承载力削减明显，竖向位移较低倾角时增大。同时，斜桩倾斜角在5～10°时，水平位移降低也十分明显。此外，5°左右的斜桩角度下，各桩应力比也趋近于1，应力分配更均匀。

(2)在20 000 kN荷载作用下，桩长的提高有利于减小桩基各方向承载力，当桩长从40 m增加到45 m时，沉降递减速率较快。当桩长从45 m增加到55 m时，沉降递减速率较为缓慢。斜直群桩水平位移值和沉降值变化趋势基本一致。适当增加斜直群桩的桩长可有效提高群桩基础竖向承载力，有效降低应力比，同时水平承载性能也有一定提高。但过长的桩基对承载性能提升并不明显，且增加了工程造价。