港口软土区超长桩承载特性有限元分析①

李强++蒋建平等

摘 要：该文基于港口区工程地质条件以及结合实际工程中高桩码头中超长桩的尺寸、桩身材料属性，在不考虑软土地区群桩效应及水平荷载作用下，利用ABAQUS有限元软件简化建立了高桩码头竖向单桩二维桩—土结构体系受力模型。得出竖向荷载作用下桩土位移及应力图，了解桩侧土、桩端土层应力分布。分析曲线与桩身侧摩阻力分布曲线，了解在位于港口软土地区中高桩码头超长桩在较高荷载下的桩土变形性状。同时结合工程实例，提出建议在超长桩入土一定深度加强构造措施。

关键词：超长桩 竖向荷载 ABAQUS 桩土变形

中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（b）-0005-03

伴随着“一带一路”政策提出，港口基础建设事业更加有着蓬勃的发展。高桩码头中采取的大直径超长桩可以提供非常大的承载力、沉降小而成为上海港口区主要码头形式。因此大直径高桩在软土地区运用非常广泛并成为一种趋势，桩基受到竖向的上部荷载以及桩土间作用，随着桩长的不断增加，桩土相对刚度减小，其受力机理十分复杂。对与软土区超长桩基于现场载荷试验所得到的数据分析较多，该文通过ABAQUS软件建立桩—土结构体系模型得到桩土之间的应力与位移，简化复杂环境作用下竖向单桩桩体应力应变情况，结合实际工程中的数据分析，更加全面的了解超长桩的受力情况。

1 研究方案与步骤

根据相关设计资料与规范，对高桩码头超长桩进行模型简化。通过查阅港口地区大致土层分布以及简化桩基础受力。考虑到由群桩向大直径超长单桩发展是目前的趋势[1]，所以该论文对大直径超长桩的理论分析主要以分析单个大直径超长桩为主。对于单个的大直径超长桩的轴向受荷有限元分析，可简化为平面轴对称问题进行分析。从整体上来看考虑实际情况和让ABAQUS更好的收敛从以下分析：第一，码头在土体自重应力下的地应力平衡[2]；第二，模拟高桩码头在工作期间的荷载作用下的桩-土位移状态分析。

2 建立高桩码头受力模型

ABAQUS是国际上公认的最优秀的非线性分析软件，其能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题，可以有效的模拟港口深层软土地基条件下超长桩在复杂荷载作用中的受力情况。桩周土体可划分为一般的平面实体单元。土体采用Mohr-Coulomb屈服准则，桩土间用Surface-to-Surface接触模型，摩擦特性选择函数Penalty，桩端与土体采用Tie约束这种模型在岩土工程中应用较多。

通过查阅相关的文献与勘探资料，进行相应简化得出以下数据图表（见表1，表2）。

3 数值模拟分析

3.1 竖向荷载变化下的桩土响应

分析深基础作用下，超长桩在软土地基下的结构效应。总结分析地层结构影响工程稳定性、影响工程结构受力变形的机理计算中假定土体为均质各向同性的弹塑性体，服从Mohr-Coulomb准则。土体侧面和底部的约束分别为X方向和Y方向的约束（图1，图2）。

在软土地区中，竖向受荷单桩多为摩擦型桩，桩的承载力由桩与土的摩阻力来提供，而桩土间的摩阻力通过土体变形来体现，随变形增大而发挥，由图1模型可以得出桩—土体位移变形从上到下变形逐渐变小，超长桩侧摩阻力主要由桩顶竖向荷载所激发。软土地区中超长桩侧模阻力的发挥中下部应力分布较大，上部应力承担较小。桩长越长，桩身直径越大，所接触的土体面积越大，在单位桩长带动周围的土体越多，对土的作用影响越大，桩土之间的作用更加明显（如图3所示）。

图4中可以得出在横向不作用力，只在竖向荷载作用下，超长桩桩身、土体水平抗力主要集中在桩身和土体浅部位置。沉桩会引起桩周土体隆起。理想弹塑性模型的土的最大隆起量大约是线弹性模型的1.5倍左右。最大隆起量与桩径的比值为7%～10%左右，发生在1～2倍桩径处[2]。理想状态下当桩身尺寸和土体参数一定时，桩周土体抗力的峰值和驻点位置不随外荷载的变化而改变[3]。桩的侧模阻力主要分布在桩身的中下部，分布近似R形分布，随着深度增加侧模阻力也呈非线性增加。在工程设计时，对竖向耦合作用的超长桩浅部桩周土体以及桩身的特定位置进行补强，以使桩身轴力和土体应力能往较深处传递，防止桩身局部破坏和土体屈服破坏。随桩顶荷载增加，桩身某一位置处桩土相对位移的递增幅度呈先增大后减小的趋势[4]。

桩侧阻力与端阻力的发挥过程就是桩土体系荷载的传递过程。桩顶受到竖向压力时，桩身压缩并向下压缩并向下位移，桩侧表面与土间发生相对运动，桩侧表面开始受土的向上摩擦阻力，荷载通过侧阻力向桩周土中传递，就使桩轴力与桩身的轴力与桩身压缩变形量随深度递减。随着桩顶荷载水平的增加，桩身上部土层侧摩阻力增幅比下部土层侧摩阻力增幅逐渐减小。在工作荷载下，对于一般摩擦型桩，侧阻力发挥作用的比例明显高于端阻力发挥作用比例。对超长桩来说，即使在最大加载条件下，桩身下部土层的侧摩阻力也并未完全发挥。

3.2 基于桩身荷载模型理论分析

桩身荷载传递函数的双曲线模型是由Seed和Reese提出的，侧阻和端阻双曲线模型因参数较少，参数取值明确而在荷载传递法中得到了广泛应用双曲线模型假设桩侧摩阻力与桩身沉降呈双曲线关系，并且桩端阻力与桩端沉降也呈双曲线关系。桩侧阻力完全发挥前，双曲线模型和侧阻软化模型都可以较好的模拟桩的受力性状，但双曲线模型不能反映侧阻软化特性，无法反映极限侧阻的峰后效应[5]。

在桩侧有： （1）

在桩端有： （2）

式中：——桩身侧模阻力和桩端阻力

S，Sb——桩身沉降和桩端沉降；

af，bf，ab，bb分别表示桩侧土和桩端图的荷载传递参数。双曲线荷载传递模型如图所示，图中1/a，1/b分别是传递荷载的倒数。

桩侧模阻力与桩身位移关系曲线，如图5所示。

桩身荷载——沉降关系迭代模型

在桩身取一微段，根据静力平衡可得到：

（3）

式中：P（Z）—桩身轴力；—桩截面周长；

—桩侧模阻力。

该单元体产生的弹性压缩量为：

（4）

S-桩身位移量；E-桩身弹性模量；A-桩身横截面面积。

对公式做微分变换可得到

（5）

（6）

将荷载传递函数的双曲线模型式（1）带入（6）式，并另可得到

写成增量形式

即为求解桩身荷载-沉降关系的迭代模型。

当竖向荷载较小时，桩身上部深度范围内混凝土受力压缩，导致该范围内的桩土发生相对位移。随着荷载增加，桩身压缩量不断增大，使该桩土相对位移逐渐增加。随之桩身侧模阻力发挥随着深度变化增大。当其超过桩土极限一定位移值后，桩身上部土的侧摩阻力达到极限值，此时桩身下部土的侧摩阻力才得到发挥。

大直径超长桩端阻力达到极限状态时的桩端沉降值至少在0.444d-123.433d之间，显示超长桩端阻力达到极限状态时的桩端沉降基本上无定值，但大部分（约60%）在1.00 mm-40.00 mm之间[6]。

竖向荷载作用下，桩与地层通过接触面的相互作用或共同作用来传递荷载。对于长江三角港口区超长桩，通常是软土地层中的超长摩擦桩，对这种桩，不能忽视桩身侧阻力，可通过桩侧注浆改变桩侧地层结构，从而提高桩侧阻力。在软土港口区，桩端阻力很难发挥基本可以忽略。桩土相对位移较小时，全桩长范围内桩侧摩阻力均随桩土相对位移的增加而增加直至峰值。当桩侧摩阻力到达极限状态后，而桩土相对位移一直随桩顶荷载的增加而增大。使用荷载下，桩身压缩占桩顶沉降的90%以上，最大试验荷载时桩顶沉降的70%来自桩身压缩。

在对超长桩进行设计时，增加桩长和桩径是提高单桩承载力的有效的方法，桩身弹性模量对单桩承载特性的影响很小。但桩长对单桩承载力的影响具有一定的限度，即当桩长超过一定值时，增加桩长对提高单桩承载力的作用效果就不那么明显了。同样桩长条件下，桩基极限承载力与桩径之间近似于线性关系增加，因此，通过增大桩基的直径来提高桩基极限承载力是一种比较有效的方法。不能忽视桩身压缩对桩顶沉降的影响。超长桩侧上部土层摩阻力具有不同程度的软化现象，而中下部土层侧摩阻力未完全发挥[7]。均质土体中大直径超长群桩及单桩达到其有效桩长时，其桩侧摩阻力均占其总承载力的90%以上，承载性状表现为摩擦桩，这也与理论上达到有效桩长时桩的承载性状一致[8]。在实际工程中，提高单桩承载力，根据桩周土体性质、工程实际情况、施工难度等因素综合考虑的基础上，对桩长和桩径进行优化设计。

4 结语

该文通过对港口软土区高桩码头超长桩基础在竖向荷载及，简化建立桩土相互作用数值模型，考虑桩土脱开效应，研究在软土地基下超长桩（摩擦桩）变形特征。

（1）根据模拟得出单桩竖向荷载作用下部桩土应力图得出桩中部受力较为集中，显示桩端土层应力向下部周围土层扩散。

（2）根据数据曲线图得到桩侧模阻力位于入土深度5-10 m左右迅速折减，随着入土深度增加而变大。

（3）只在竖向荷载作用下，超长桩桩身、土体水平抗力主要集中在桩身和土体浅部位置，因此建议桩入土深度在0-30 m左右处，可以加强构造措施提高承载能力。

（4）在软土地基中，在桩基础深度一定的情况下可以通过增大桩的途径直径增加桩土相对刚度，可有效提高竖向桩基承载力。

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