大直径桥梁桩基承载力性能分析

摘要：依托某桥梁桩基施工工程，采用数值模拟方法，建立桥梁大直径桩基三维数值分析模型，对大直径桩基桩身轴力、桩侧阻力、桩顶位移及桩身弯矩与剪力随桩体深度的变化规律开展研究。结果表明：随着桩身深度的增大，桩身轴力逐渐减小，桩侧阻力呈现出增大减小再增大再减小的趋势；在桩体深度为0～20m范围内，桩身弯矩和剪力有明显变化，20m以下深度桩身弯矩和剪力几乎为0；该工程大直径桩基的竖向及水平承载力均满足设计要求。

关键词：大直径桥梁；桩基；承载能力；数值模拟

0" "引言

桥梁的安全性和稳定性直接关系到交通网络的可靠运行，而桩基作为桥梁的基础结构，承载着桥梁上部结构的所有荷载，起着至关重要的作用[1]。随着桥梁工程的环境和地质条件向更加复杂和严苛的方向发展，大直径桩基在不同地质条件下的承载性能问题日益凸显。尤其是在复杂地质条件和恶劣环境下，如何有效评估大直径桩基的承载力性能，确保其在全寿命周期内的安全可靠性，成为工程界亟待解决的难题[2-3]。目前，已经有多位学者针对大直径桩基承载力性能开展了相关研究，高鲁超等[4]通过离心机试验和修正p-y曲线模型研究了水泥土中大直径单桩的水平承载性能，发现水泥土加固显著提高了桩基水平承载力、初始刚度和极限承载力，验证了所提计算模型的合理性。刘畅博等[5]研究砂土地基中大直径单桩的破坏模式、初始刚度和极限抗力随桩径与深度的变化规律，提出并验证了修正后的双曲线模型可准确预测大直径单桩的水平承载性能。

现有研究中，针对大直径桥梁桩基承载特性的研究相对缺乏，鉴于此，本文依托某桥梁桩基施工工程，采用数值模拟方法，对桥梁大直径桩基竖向及水平承载性能开展研究，以为大直径桥梁桩基设计和施工以及提升桥梁工程的安全性和可靠性提供科学指导。

1" "工程概况

某工程桥梁采用大直径桩基，桩体长度为92m，直径为2m，桩身混凝土强度等级为C30，桩身持力层为页岩层。桥梁地基土层由上至下依次为粉质黏土层、中砂层、碎块石土层和页岩层。桥墩桩基采用两根大直径群桩，桩间距为7m。为评估大直径桩基的承载性能，采用数值模拟方法模拟桩体加载过程。

2" "数值模型与材料参数

2.1" "模型建立及基本假设

基于实际桥梁桩基施工工程，建立大直径桥梁桩基三维数值分析模型，模型深度为120m，长度及宽度均为40m。在模拟过程中，假设地基土层和桩体为均质材料，在各个方向上具有相同的物理和力学性质。假设土层为连续介质，不考虑局部的不连续性和缺陷。假设桩和土体在界面处的位移协调，考虑相对滑移和相互作用力。

采用三节点单元对模型进行网格划分，将单元尺寸设置为2m，对桩体附近进行局部网格加密，以提升计算精度。网格划分完毕后，共有节点数21913个，单元数122372个。桥梁大直径桩基三维数值分析模型示意图如图1所示。

2.2" "边界条件及模型参数

将模型底面设置为固定约束，限制各个方向位移，模型四周约束水平方向位移，模型上表面设置为自由边界。在模拟开始前，首先对模型初始状态进行模拟，清除由地基土层自身重力所产生的位移，随后进行大直径桩基静力加载模拟。加载采用分级进行，共分为十级，极限承载力为93000kN。数值模型各部分材料参数如表1所示。

3" "模拟结果分析

3.1" "桩身轴力分析

桩身轴力随深度变化曲线如图2所示。观察图2可知，随着桩体上部施加荷载等级的增大，桩体不同深度的桩身轴力逐渐增大。桩体在承受荷载时，荷载通过桩身传递到桩基底部。上部荷载的增加使得桩身在各个深度的应力状态发生变化，导致轴力增大。沿桩身向下随着桩身深度的增大，桩身轴力逐渐减小，且随着施加荷载等级的增大，桩身轴力的减小幅度增大。

在桩顶施加荷载时，荷载通过桩身传递到桩底，桩与土体之间的侧摩阻力逐渐抵消部分荷载，导致轴力随深度增加逐渐减小。随着施加荷载等级的增大，桩身上部荷载增加，导致侧摩阻力也相应增加，从而使轴力的减小幅度更大。

在桩顶位置桩身轴力最大，桩端位置桩身轴力最小，随着桩体上部荷载的增大，相同深度位置桩身轴力的下降幅度有所减缓，侧摩阻力逐渐发挥，表明尚未达到桩身极限承载能力，桩基承载能力未完全发挥。基于此，在大直径桩基设计过程中，应以桩基荷载传递规律和承载力特征为依据，不断优化设计。

3.2" "桩侧阻力分析

桩侧阻力随深度变化曲线如图3所示。从图3中可以看出，随着施加荷载的增大，桩体不同深度的桩侧阻力呈现出逐渐增大的趋势。荷载增加时，桩体下沉，桩周土体受到挤压，产生更大的剪切应力，从而提高了桩侧阻力。同时，土体的密实度和摩擦力也随着荷载的增加而增大，导致桩侧阻力逐渐增加。

在不同地基土层桩侧阻力发挥有所差异，但在不同等级荷载下，桩侧阻力随深度的变化趋势基本相同，均表现出在1.5m深度内基本为0。在1.5～10m深度桩侧阻力逐渐增大，且随着施加荷载的增大，桩侧阻力增幅逐渐增大。在10～55m深度桩侧阻力逐渐增大，在55～82m深度桩侧阻力再次增大并在82m深度位置达到最大，随后呈现出减小趋势。

总体上，桩侧阻力随深度变化呈现出增大减小再增大再减小的趋势，桩侧阻力最大值出现在距离桩体底部10m位置。桩侧阻力随桩体深度变化曲线整体上呈现出“m”型，且随着施加荷载的增大，不同桩体深度下，桩侧阻力“m”型分布越明显。

3.3" "桩体沉降分析

桩体荷载位移曲线如图4所示。由图4可知，随着施加荷载的增大，桩顶沉降值呈现出线性增大趋势。在加载初期，桩基和周围土体均表现出弹性变形，沉降量与荷载成正比，即表现出线性关系。此外，大直径桩基能够较均匀地分布荷载，减少了局部应力集中现象，从而使得整个结构在弹性阶段的沉降表现为线性增加。

在最大施加荷载93000kN下，桩顶沉降最大值为61.6mm，试桩的荷载-位移曲线未出现显著的降低趋势，表明桩体的承载力满足设计要求。在桩体位移总量中，桩身压缩变形所占比例较大，表明桩身在承受荷载时发生明显的轴向压缩，在设计时应特别注意桩身的轴向刚度，合理使用材料。

3.4" "桩身弯矩分析

水平荷载会引起桩体产生弯矩和剪力，导致桩体发生水平位移和倾斜，从而引起桩基承载力降低、桩身变形增大，甚至产生结构性破坏。桩基在承受较大水平荷载时需要通过复杂的桩土相互作用来分担荷载，影响整体结构的稳定性。因此对于长度较长的大直径桩基，不可忽略水平荷载对桩基的影响。

为探究在水平荷载下桩身弯矩和剪力分布规律，对桩顶施加荷载，使其产生10mm、20mm及50mm水平位移，分析桩身弯矩及剪力变化。桩身弯矩随深度变化曲线如图5所示。由图5可知，在0～20m深度范围内桩身弯矩较大，在20m以下位置桩身弯矩几乎为0。在0～20m范围内桩身弯矩呈现出先增大后减小的趋势，桩身弯矩最大值出现在桩体深度为5m左右位置。在浅层土壤中，桩体受到的荷载和土壤反力影响较大，导致弯矩增大。而在桩身较深位置，由于土壤强度增加，桩体受力逐渐减小，弯矩降低至几乎为0。

随着桩顶施加的水平位移和水平荷载的增大，桩身弯矩最大值逐渐增大，在桩顶施加水平荷载，使得桩身产生水平力，引起桩身的横向变形。为了抵抗这种水平力，桩身会产生弯矩。随着水平荷载的增大，桩身的弯矩也会增大。在不同水平位移下，桩身弯矩发展及分布规律基本一致，说明桩身水平承载力满足要求。

3.5" "桩身剪力分析

桩身剪力随深度变化曲线如图6所示。从图6中可以看出，桩身剪力在0～20m深度有明显变化，在20m以下深度桩身剪力保持不变几乎为0。桩身剪力最大值出现在桩顶位置，在0～5m深度范围桩身剪力逐渐减小，在5～20m范围桩身剪力向相反方向呈现出先增大再减小的趋势。

随着桩顶水平位移及水平荷载的增大，桩身剪力最大值逐渐增大。在水平荷载作用下，桩体的支撑力和摩阻力之间的差异，会导致桩身产生剪切变形。桩顶的水平位移增大，导致桩体的弯矩增加，使桩身所承受的的剪力增大。

4" "结束语

本文依托某桥梁桩基施工工程，通过数值模拟方法，探究了桥梁大直径桩基在竖向荷载及水平荷载下的承载性能，得出以下主要结论：

随着桩身深度的增大，桩身轴力逐渐减小，桩侧阻力呈现出增大减小再增大再减小的趋势；随着桩体上部施加荷载等级的增大，桩体不同深度的桩身轴力和桩侧阻力均逐渐增大。

随着施加荷载的增大，桩顶沉降值呈现出线性增大趋势，在桩体位移总量中，桩身压缩变形所占比例较大；在最大等级荷载下，试桩的荷载-位移曲线未出现显著的降低趋势，桩体的竖向承载力满足设计要求。

在桩身0～20m深度范围内桩身弯矩和剪力变化幅度较大，在20m以下位置桩身弯矩和剪力几乎为0；桩身弯矩最大值出现在桩体深度为5m左右位置，桩身剪力最大值出现在桩顶位置。

参考文献

[1] 崔允亮，王海峰，王新，等.大直径钢管复合桩承载特性研究[J].地下空间与工程学报，2020，16（5）：1467-1475.

[2] 邢康宇，吴文兵，张凯顺，等.基于改进应变楔模型的大直径桩基水平承载力分析方法[J].安全与环境工程，2020，27（3）：200-207.

[3] 竺明星，卢红前，戴国亮，等.基于侧阻硬化与软化模型的大直径桩基水平承载力研究[J].岩土工程学报，2018，40（S2）：132-136.

[4] 高鲁超，戴国亮，姚中原，等.水泥土大直径单桩水平承载性能试验研究[J].东南大学学报（自然科学版），2024，54（1）：142-148.

[5] 刘畅博，胡中波，李阔，等.砂土地基海上风电大直径单桩基础的p-y曲线研究[J].太阳能学报，1-7.

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