深厚软土地区台后填土对桥台桩基的影响分析

作者简介：

林爱军（1984—），高级工程师，主要从事水利水电工程、市政工程项目管理工作。

摘要：文章基于台州市东部新区某桥梁工程实例，建立桥台-桩基-填土三维有限元计算模型，分析了深厚软土地区台后填土对桥台桩基的影响。结果表明：台后填土在较大范围的桩长内产生了负摩阻，桥台边缘桩的附加弯矩显著大于桥台中部桩的附加弯矩;桥台由于填土产生的不均匀沉降向填土侧发生倾斜，填土挤压造成单桩部分桩体向桥梁侧发生位移。

关键词：深厚软土;桥台;负摩阻;有限元;桩基沉降

中国分类号：U445.55+1A441624

0 引言

随着我国经济的高速发展，公路建设如火如荼。在滨海地区的公路建设中，淤泥或淤泥质软土是常见的软弱土层，该类土层会对路桥的施工建设产生不利的影响。在路基与桥梁的连接处，软弱土层产生的不利影响主要表现为：桥台桩周土体的沉降值由于路基堆载作用大于桥台桩基的沉降值并在桩体上产生负摩阻力，造成桥台桩基的不均匀沉降;路基堆载对桥台桩基产生侧向力，使桩身产生挠曲变形威胁桥梁的使用安全[1]。因此，正确分析台后填土对桥台桩基的影响对于保证桥梁的安全使用至关重要。针对此类问题，已经有一些学者进行了相关研究，包括理论分析、现场试验和数值模拟[2-7]。但是由于场地类型的和施工状况的差异，相关研究的成果依然不够全面，难以进行推广。

针对台后填土对桥梁桩基影响的相关问题，结合工程具体的场地条件和施工条件进行分析是一种相对有效的方法。数值模拟相对理论分析可以更加周全地考虑施工现场的条件，同时相较于现场试验可以节约大量的资源与时间，优势更明显。本文基于台州市东部新区桥梁工程实例，使用Midas-GTS-NX岩土有限元分析软件，建立全尺寸桥台-桩基-填土相互作用有限元数值模型，探究深厚软土地基条件下台后填土对于桥台桩基的影响。

1 数值模型

1.1 工程与模型概况

本项目桥梁跨径为16 m，桥台桩基础采用钻孔灌注桩，共由13根桩构成，每根桩径为1 m，桩长L=68.5 m，桩身材料采用C35混凝土，桩底位于粉质黏土层中。桥台采用C40混凝土浇筑。具体桥台尺寸与桩基布置如图1所示。

桥台-桩基-填土相互作用有限元数值模型如图2所示。模型整体长64.4 m，宽92.1 m。模型地层部分共80 m厚，根据地质勘察报告合并性质类似的土层之后，模型的地层部分共被划分成5层，网格控制尺寸为2 m，采用摩尔-库伦本构模型。地层部分相关参数如表1所示。经过适当简化，桥台及台后土体模型细节部分如图3所示。根据实际施工情况，桥台后填土主要由碎石、气泡混凝土与素填土组成。为了保证台后土体的稳定，施工时在台后土体下方打入12.5 m长的高压旋喷桩进行地基处理。旋喷桩直径为0.6 m，桩中心间距为1.2 m，采用梅花型布置。桥台及台后填土部分相关参数如表2所示：

1.2 桥台桩基模拟及模型验证

桥台下桩基础较长，在本模型中采用1D梁单元对桩身进行模拟，桩身选取弹性本构。每个桩单元尺寸限制在1 m以内。桩单元与土体周边的摩擦行为通过定义接触单元进行模拟。桩周与土体的接触在软件中由“桩单元”进行定义。该单元中主要由三个参数模拟接触，分别为最终剪力、剪切刚度模量与法向刚度模量。最终剪力的取值为桩周各土层的侧摩阻力乘以桩周长。剪切刚度模量与法向刚度模量参数难以获取，而参考文献[8-9]中对于桩基的计算经验并经过反复试算，确定剪切刚度模量与法向刚度模量分别取为桩周土体弹性模量的10倍和100倍。桩底与土體的接触关系由“桩端”定义，其中包含桩端承载力和桩端弹簧刚度两个参数。参考该工程地质勘察报告并结合试算，确定桩端承载力取值为1 374 kN，桩端弹簧刚度取值为120 000 kN/m。

土体及接触参数确定后，首先进行单桩加载计算并与现场试验结果进行对比，以验证接触参数取值的合理性。单桩加载计算试验与单桩现场试验荷载-沉降曲线如图4所示。现场试验结果表明，单桩极限承载力约为5 970 kN。在模拟加载试验中，荷载分10级逐步添加，每级600 kN。由荷载-加载曲线可知，桩顶荷载超过5 400 kN后位移出现明显增长。整个加载过程中，有限元计算结果与现场测试结果较为接近，说明计算参数基与实际情况基本吻合。

1.3 分析步骤

本模型计算步骤如下：

（1）计算地层自重条件下产生的初始应力，并清零位移。

（2）激活桥台、桥台下桩基础与旋喷桩，模拟桥台施工。

（3）激活台后填土，填土荷载简化为分10级逐步释放，模拟台后填土过程。

2 计算结果分析

2.1 桩身侧摩阻分析

提取桥台中部桩A、B与桥台边缘桩C、D，对应桥台施工完成后、台后填土完成50%和全部完成三种状态下的桩基侧摩阻进行分析。三种状态下各桩侧摩阻力分布如图5所示。

由图5可知，由于台后填土造成桥台周围土体的沉降，四根处于不同位置的桩基在台后填土完成后均在较大范围的桩长内产生了侧摩阻力。其中位于填土侧的A、C桩侧摩阻力大约在0.45 L处由负转正，而位于桥梁侧B、D桩的侧摩阻力大约在0.62 L处由负转正。桩身产生负摩阻力的主要原因是桩周土体沉降大于桩身沉降，当侧摩阻由负转正时，该位置的桩体竖向位移与土体竖向位移达到一致，即到达“中性点”。通过计算可知、四根不同位置的桩的中性点深度均跨越了淤泥质黏土层，到达了黏土层内。靠近桥梁的前排桩由于桩群的支撑作用，与周边土体的相对位移差更大，因此中性点的位置更深。

2.2 桩身内力分析

填土引起的桩身内力变化是探究桥台后填土多于桥台桩基影响的重要内容。同样选取位于桥台中部的桩A、B与位于桥台边缘的桩C、D进行分析。桩身弯矩随填土完成度变化如图6所示。由图6可知，随着台后填土的逐步完成，四根桩的内力均呈现增大的趋势，最大弯矩均出现在填土100%完成时，位于桥台中部的桩的附加弯矩要明显小于位于桥台边缘的桩。桩A、B由于填土产生的最大弯矩分别位于桩身0.18 L和0.44 L处，桩C、D最大弯矩位于0.39 L和0.31 L处，两种位置台后填土对于桩基产生最大附加弯矩位于全桩长的中上部。

2.3 桥台及位移分析

台后填土引起下卧软土层的变形会导致桥台与桩基发生位移，其中桥台或桩基产生过大的位移会对桥梁的安全使用造成影响。如图7～8所示分别展示了填土后桥台位移与桩顶沉降的情况。由图7可知，由于台后填土的作用，桥台整体发生了一定程度的沉降，其中靠近填土一侧的沉降要大于靠近桥梁一侧的沉降，桥台发生了朝向填土侧的倾斜，整体倾斜幅度约为0.6%。图8中显示填土侧桩与桥梁侧桩随着台后填土的进行沉降呈现线性变化，靠近桥梁侧的桩沉降量明显小于靠近填土侧的桩，桥台的基础部分即出现了偏向填土一侧的倾斜，而桥台下方中间位置与边缘位置桩的沉降基本一致，说明桥台在长度方向上的位移基本保持一致，不均匀沉降发生于桥台的桥梁侧与填土侧。

如图9所示中展示了ABCD四根桩的桩顶的水平位移情况。桩顶位移随着台后填土荷载的释放逐步增加，方向为朝向桥梁侧。填土完成时四根处于不同位置的桩水平位移基本保持一致，大约为15.4 mm，移动幅度约为桥台宽度的0.27%。

台后填土使软弱下卧土层产生变形，软土的变形同样会对桩身产生挤压，使桩身发生位移。如图10所示展示了ABCD四根桩在填土完成后的侧向位移情况。由于填土的挤压作用，四根桩的位移趋势基本一致，其中在桩顶到大约0.74 L处桩体呈现出向桥梁侧的位移，0.74 L到桩底处桩身的位移朝向填土侧，整个桩体的最大位移发生在0.3 L处。靠近填土侧的A桩与C桩的侧向位移要略大于与之对应的靠近桥梁侧的B桩与D桩。在相同侧，位于桥台中部的A桩和B桩的位移要略小于位于桥台边缘的C桩和D桩。

3 結语

本文结合深厚软土地区桥梁工程实例，建立了桥台-桩基-填土有限元计算模型。首先进行单桩加载计算并与现场实验结果进行对比，验证模型参数情况，随后使用数值模拟方法探究了台后填土对桥台桩基的影响。计算结果表明，由于台后填土的作用，桥台下桩基在较大桩长的范围内产生了负摩阻。随着填土的进行，桩身内产生的附加弯矩逐渐增长，桩身弯矩的最大值出现在整个桩体的中上部，桥台边缘桩的弯矩显著大于中间桩的弯矩。台后填土引起的不均匀沉降会导致桥台向填土侧发生倾斜，同时桩顶位移表明桥台的下部向桥梁侧发生水平位移。桥台桩体受到周围软土挤压作用发生位移，最大水平位移位于大约位于0.3倍桩长处，方向朝向桥梁侧。以上结论可以为此类地区相关桥台的设计施工提供一定的指导。

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