软岩山区不规则地形桩基单桩竖向承载力有限元分析

庞彪

摘要：文章以某特大桥连续刚构段为工程背景，研究了不规则地形软岩介质中的桩基础单桩竖向承载特性。通过ABAQUS软件建立三维有限元模型分析手段，对模型顶部采用位移加载方法，模拟了单桩的竖向荷载传递规律，提取了模型接触面压力分布、接触面摩阻力分布、岩土体塑性分布、P-S曲线特征等作为分析指标，归纳总结了这类桩基础的单桩竖向承载特性。

关键词：软岩;单桩;竖向承载力;数值模拟

文献标识码：U441+.2-A-19-059-4

0 引言

随着西南地区铁路建设的发展，铁路路线在山区中的延伸已逐渐扩大，跨越河流山区等复杂地形是不可避免的问题，桥梁结构在山区中也因此应用广泛。山区中的桥梁结构往往有着非常高的桥墩结构，超高桥墩造成了桥梁结构自重的增大，这对下部基础的要求也相应提高。桩基础作为目前应用最为广泛的一种基础类型，其施工工艺已比较成熟，它依靠端部与侧向摩阻力承载，能很好地满足各类上部结构的需求，且承载力较高，安全系数较大，而桩基础侧向摩阻力的发挥与地应力的分布密切相关，山区不规则的地形条件造成了地应力分布复杂不均，因此有必要对这类环境的桩基础竖向承载特性展開研究，为类似工程的设计提供参考。

1 崖底桩基单桩有限元分析

本基础为某特大桥18#墩基础，其上部桥墩高82 m，桩基础由25根基桩组成，单桩尺寸长25 m，直径为2.5 m，桩间距为6.6 m，具体尺寸见下页图1。

其地处河谷位置，墩台右侧为高陡边坡，平面相距5 m，高程差约70 m，陡壁植被较好，长满灌木及杂草，土层覆盖较薄，部分地方基岩裸露。地层主要为三叠系中统嘉陵江组灰岩，主要性状如下：

灰岩（T2j）：浅灰-青灰色为主，局部为灰褐色，弱风化，中厚-厚层状构造，节理裂隙较发育。岩体较完整，岩质较硬，Ⅴ级次坚石，σ0=1 000 kPa，岩层产状为N42°E/70°N。

现场开挖揭示地层为弱风化灰岩夹泥灰岩，薄-中厚层产状，岩层产状为N42°/70°N，主要发育一组近垂直密闭型节理，走向为N68°W，间距为1～3 m，延伸长度为3～5 m。该桥墩所在位置线路右侧地形陡峭，结构面抗剪强度指标5 m以上φ=12°、c=20 kPa，5 m以下φ=29°、c=100 kPa。

桥址区地表水主要为大气降水，地下水主要为第四系孔隙潜水与岩溶裂隙水，地表水及地下水水质良好，无侵蚀性。

2 单桩有限元软件模拟

2.1 基本假设

（1）基础、岩层为均质、各向同性材料。

（2）不考虑群桩效应。

（3）不考虑软岩剪胀作用。

（4）不考虑桩基施工的地应力重分布。

（5）不考虑接触面的粘结作用。

（6）基础不发生塑性变形。

2.2 单桩模型建立

采用1∶1三维建模，为了简化模型尺寸，采用等效荷载代替桩顶以上不规则地形，即可利用对称性建立1/2模型，这大大简化了模型单元数量。模型竖向取50 m，为桩基的2倍深度，横向取45 m，纵向取10 m，在基础位移处预留基础尺寸孔位，底面固定，限制周围水平位移。基础与岩土体的法向接触采用硬接触，切向接触采用罚函数的摩擦接触，摩擦系数取0.5 m，基础采用弹性模型，岩土体采用弹塑性模型，塑性部分采用摩尔-库伦模型。各材料参数如表1所示，采用C3D8D单元，单元数量总计9 930个，有限元模型如图2所示，分析步分为地应力平衡分析步及位移加载分析步。

2.3 有限元结果分析

2.3.1 地应力平衡结果分析

地应力平衡效果如图3及图4所示。

由图3及图4可知：

（1）同一水平面上，悬崖侧竖向应力要高于基础侧。

（2）竖向应力由上至下逐渐增大。

（3）地应力平衡最大位移量值为10e-7 m数量级。

由以上结果可知：

不规则地形的地应力平衡较为成功，地应力分布符合一般悬崖地形条件，其初始位移量值对后续的位移加载影响可忽略不计。

2.3.2 位移加载结果分析

2.3.2.1 P-S曲线结果分析

由图5荷载沉降曲线得知：

（1）P-S曲线呈线性分布，无明显拐点。

（2）随着荷载的增加，桩顶沉降也在不断累加。

（3）位移加载3 cm结束时，桩顶荷载为133 kN。

由以上结果可知：桩基础单桩竖向沉降随荷载的增加而增大，在软岩介质中单桩承载力较高，很难发生极限状态下的破坏，P-S曲线大致呈线性分布。

2.3.2.2 桩身竖向应力及位移分布

提取桩中心点处竖向应力，扣除自重，沿深度绘制于图6中，竖向位移分布见图7。

由图6、图7可知：

（1）桩身竖向应力由浅至深逐渐变小，在桩顶处应力值最大，在桩端处应力值最小。

（2）桩身竖向应力在桩顶附近速度减小较缓慢，在桩端附近递减速度较快，在埋深23 m处出现了拐点。

（3）桩顶沉降30 mm时，桩端应力与桩顶应力比值为0.52。

（4）桩身竖向位移沿埋深依次递减，桩顶竖向位移30 mm时桩端沉降仅有10 mm，桩自身压缩量及摩阻力引起的介质压缩量占到了20 mm。

由以上结果可知：

（1）竖向荷载在传递过程中沿埋深依次递减，竖向荷载在桩端附近的折减加快。

（2）当桩顶沉降达到30 mm时，端阻占比达到了52%，证明桩基础具有较高的侧阻承载力，桩侧摩阻力能分担较多的竖向荷载。

（3）桩基础承受竖向荷载时，桩顶沉降量由桩自身压缩、桩端压缩、摩阻力引起的介质压缩三部分组成。

（4）桩基础在埋深较小处与介质的相对位移较大，在埋深较大处与介质的相对位移较小。

2.3.2.3 桩身摩阻力分布

桩顶沉降30 mm时，桩侧摩阻力分布如图8所示。

由图8可知：

（1）在竖向承载作用下，软岩介质环境中的桩基础摩阻力分布曲线呈双峰型分布，在桩顶及0.72 L附近出现摩阻力峰值。

（2）单桩摩阻力曲线在靠近悬崖侧及远离悬崖侧分布差异微小，两侧摩阻力曲线分布基本重合。

（3）在0～5 m范围内摩阻力曲线沿埋深依次递减，5～18 m范围内摩阻力曲线沿埋深依次增大，18～25 m范围内摩阻力曲线沿埋深依次递减。

（4）桩顶附近摩阻力峰值要高于0.72 L附近处的摩阻力峰值。

由摩阻力分布机理分析可知：

（1）桩身摩阻力的发挥依赖于桩土相对位移，在桩顶附近，桩与介质的相对位移较大，摩阻力能够得到充分发挥。

（2）桩身摩阻力的大小也与侧向接触面的法向应力有关，接触面的法向应力不仅与初始地应力场有关，也与桩身的法向变形有关。在埋深较浅处，虽然水平地应力较小，但桩身竖向应力值较大，发生的横向变形较大，造成侧向接触面的挤压，而埋深较大处由于水平地应力较大，因此在较小相对位移时能发挥较大的摩阻力。

（3）桩端附近存在摩阻力为0，这是由于在桩端接触面的挤压变形过程中发生了侧面接触张开现象，侧面接触法向应力为0，使得摩阻力为0。

本工程中的18#墩基础是按摩擦桩进行设计，而在有限元模拟中显示端阻占比达到了52%，这是由于模型中是按桩顶30 mm的位移加载，而本基础在桥梁完工时的沉降远比30 mm要小，当位移加载过大时就会造成摩擦桩向端承桩的转变。

3 结语

通过对实际崖底下方的桩基础单桩有限元模拟，得出了如下几点结论：

（1）崖底位置处的桩基础在承受竖向荷载时，摩阻力曲线呈双峰型分布，峰值分别位于桩顶及0.72 L附近。

（2）软岩环境使桩基础单桩承载力较高，安全系数较大，P-S曲线呈线性分布。

（3）单桩摩阻力在崖底环境中，桩周侧阻力分布大致相同。

（4）竖向荷载沿桩身递减，桩身与介质的相对位移沿埋深发生递减。

（5）摩阻力的发挥与桩土相对位移、接触侧面法向应力有关。

参考文献

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收稿日期：2021-03-22

基金项目：广西高校中青年教师基础能力提升项目“图纸缺失的在役梁式桥承载力检测评定” （编号：2020KY34015）

作者简介：庞 彪（1983—），硕士，讲师，工程师，主要从事桥梁工程研究工作。