台后软土沉降对桥台桩基的影响分析

麻广林，蒋　发，马学军，晏　辰

（1.青岛市市政工程设计研究院有限责任公司，山东 青岛 266071；2. 北京交科公路勘察设计研究院有限公司，北京 100191；3.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096）

台后软土沉降对桥台桩基的影响分析

麻广林1，蒋发1，马学军2，晏辰3

（1.青岛市市政工程设计研究院有限责任公司，山东 青岛 266071；2. 北京交科公路勘察设计研究院有限公司，北京 100191；3.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096）

文章结合实际工程案例， 基于有限元力学分析，研究了台后软土沉降对邻近桥台桩基的影响。分析时首先考虑了竖向负摩阻力的作用，并着重分析了被动桩与土体之间的作用机理，给出了有限元计算模型与模型参数的取值方法，并对实际工程中受软土沉降影响的桩基础进行了计算复核。

软土沉降；负摩阻；被动桩；有限元模型

公路是线性带状构造物，跨越地区广泛，沿线地质条件复杂。软土地基上，一般高度桥台后填土沉降主要源于填土自重应力作用下软土地基的固结变形［1］。当在软土地基上修建公路桥梁时，台后路基的填筑荷载往往导致下卧软土层固结沉降并产生侧向变形［2］，对邻近的桥台桩基产生不利影响。相关研究表明，软土层固结沉降会对邻近桩基产生负摩阻力作用，使得基桩竖向荷载增大，承载能力降低［3］，同时软土层侧向变形会挤压桩基，对桩身产生水平推力，导致桩身挠曲甚至断裂破坏，造成桥台的水平位移或倾斜［4］。

上述2种作用都会对桩基的安全性造成影响，同时，桥台产生过大的位移还会对上部结构的安全性与使用性能产生不利影响［5］。因此，台后软土沉降是一个不可忽视的问题，一旦发生必须对桩基的安全进行复核。现有研究成果总结如下：聂如松，杨奇等［6-7］结合现场实测，采用有限元程序对高承台和低承台桥台在台后填土过程中桩基的受力情况进行了分析并总结出相应的变化规律。胡建荣［8］采用有限元软件对被动部分桩侧极限土压力进行模拟，结合实际工程背景，对侧移桥台桩基进行了分析，对软土地区路堤堆载下桥台桩基侧向变形性状进行研究。李雪峰［9］采用有限元软件对软基桥台桩基建立了三维有限元模型，通过设置桩土接触单元对软基桥台桩基础桩土相互作用进行了研究。

本文结合实际工程中台后软土沉降的工程实例，对桥台路基填筑对桥台桩基产生的影响进行分析。

1 桥台地基土参数

某接线桥梁工程，桥梁两侧与道路相接的一联布置均为先简支后连续组合箱梁，分幅布置，下部结构采用桩柱式墩台，桩长均为40 m。根据该桥的工程地质勘察报告，桥位处覆盖层主要为第四系冲洪积层，分布自上至下分别为素填土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、细纱、卵石。工程范围内的地下水为潜水与承压水，潜水由上层滞水与孔隙水组成，埋深随季节在2.5～6 m变化。承压水赋存于卵石层中。桥台位置地基土特性如表1所示。

表1 桥台地基土参数

原始设计认为，由于本道路修建均采用低路堤，高度不大于1.6 m，根据地区经验路基稳定分析不需要验算，引起的沉降量也很小，因此未对路基做特殊处理。然而施工过程中发现路基有明显沉降，对沉降进行跟踪观测，结果表明全线路堤均有较大的沉降，以两侧桥台的台后沉降为例，自施工开始之后的一年内，沉降值达到近80 cm。台后路基沉降已导致台后路面倾斜，桥台搭板与道路相接处路面铺装开裂，桥台与路基水平方向轻微错台 。观测表明桥台自身未发生明显的沉降或水平位移，附近土体也未有剪切破坏的迹象。

分析其原因，由于该路段地基存在较厚的淤泥质土层（约20 m厚），占桩长的1/2，较大的固结沉降对桥台桩基产生长期的负摩阻力；此外淤泥质土在竖向附加荷载的作用下产生侧向挤压变形，对以承受竖向力为主的桩基产生水平向的作用力，可能造成桩基开裂，甚至断裂。因此需要对桩基进行受力分析，并对其安全性进行校核。

2 桩基础竖向受力分析

基桩的竖向荷载效应包括永久作用与可变作用。计算自重荷载、车辆荷载等作用时，借助有限元软件Midas Civil，采用梁格法建立上部结构模型，如图1所示，不考虑下部结构的竖向弹性对反力的影响，用刚性支座模拟梁端支撑。计算车辆荷载时，选择最不利的偏载工况进行布载；计算单桩分配的荷载时，假设桥台绝对刚性，按杠杆法进行计算。

由于桥台处地基有约20 m厚的软土层，且发生了明显的沉降，因此必须考虑负摩阻作用。计算负摩阻力的关键是确定中性点的位置。中性点以上土层相对桩身向下位移，产生负摩阻力；在中性点以下土层相对桩身向上位移，产生桩侧正摩阻力，在中性点处桩身轴力达到最大值。因此，桩侧负摩阻力使得部分桩侧土非但不能成为承载力的一部分，反而相当于对桩身施加外荷载，导致桩的承载力降低。

图1 桥梁上部结构有限元模型

负摩阻力的具体计算公式详见文献［10］对于中性点位置的确定，文献［10］提供了参考表格。本桥桩底持力层为卵石，取中性点至地面的距离为淤泥质土厚度的0.9倍。

桩基容许承载力的计算按《规范》中的要求进行。进行荷载组合时，按正常使用极限状态的短期效应组合，可变作用的频遇值系数均取1.0，计算可得竖向荷载短期效应组合3 256 kN，负摩阻力标准值为1 420 kN，承载能力容许值为6 770 kN。

计算结果表明，考虑负摩阻力的影响后桩基仍能满足规范的要求，且其承载力有一定的富余，是安全的。

3 桩基础横向受力分析

3.1 桩土作用的有限元模型

在分析基桩横向受力时，现行《规范》是将埋在土中的桩视为支撑在弹性地基上的梁来考虑的。当采用有限元来模拟计算时，可用杆单元来模拟桩，用水平方向的弹簧来模拟桩土之间的作用［11］，如图2所示。

图2 桩侧土弹簧模型

图2中每一个弹簧代表一定范围内土体对桩身的约束作用，可表示为：

式中：F为桩土之间的横向作用力；δ为桩身水平方向的位移；K为弹簧的刚度，代表土体受到单位的压缩时产生的力，K值可按下式计算：

式中：h0为单个弹簧所等效的土体竖向高度，取上下两个杆单元一半长度之和；b0为作用在桩身的土体计算宽度，对于桩径d大于1 m的圆形桩，b0=0.9×（d+1）；CZ为单位面积土体的水平向抗力系数，CZ=m0×h，m0为非岩石地基水平向抗力系数的比例系数，h为截面的埋置深度，当h＜10 m时，取h=10 m。

3.2 被动桩的特点与分析方法

对于桩体横向受力的问题，根据桩土作用的因果关系，可分为“主动桩”和“被动桩”2种［7］。承受外荷载并主动向土体传递应力的桩，称为“主动桩”，而由于桩周土体在自重或外荷载作用下发生变形而受到挤压的桩，称为“被动桩”。本桥地基中的软土层由于桥头路基填筑而发生侧向变形，桥台基桩因此受到桩侧土体的挤压，是一种典型的被动桩。被动桩的特点是其所受的侧向荷载不能直接确定，需要结合土体的变形位移大小，桩、土的刚度值以及桩土之间的位移协调关系来确定。

被动桩的受力分析如图3所示。

图3 桩、土位移线及被动桩受力模型

桩身的原位为图3（a）中的AB线处，土体由于堆载而发生侧向位移，如果不考虑桩对土体的作用，则土体的原始位移线如图3（a）中虚线所示。当考虑桩土作用时，同一点处桩、土的位移是一致的，因此桩对土体的变形产生阻碍。若桩绝对柔性，则桩的位移与土体的原始位移一致，其两侧的土压力大小相等方向相反，桩身弯矩为0；若桩绝对刚性且未发生刚体位移，则桩、土的位移均为0，桩体左侧受土压力最大而右侧压力为0，此时桩体所受的弯矩也最大。实际桩体的位移介于上述2种情况之间，如图3（a）中桩位移线，在A截面，由于土体的位移AA2大于桩身的位移AA1，因此土体对桩身的合力P=K·A1A2，方向向右；而在B点处，由于土体的位移BB2小于桩身的位移BB1，因此土体对桩身的合力P=K·B1B2，方向向左。桩体所受侧向合力如图3（b）所示，桩的刚度越大，桩体左侧所受压力越大而右侧所受压力越小，所受侧向力的合力越大，桩身弯矩也越大。

被动桩的计算模型与主动桩相似，如图3（c），弹簧的刚度可按式（2）确定，不同之处在于侧向分布力的值不能直接求得，其大小取决于桩、土刚度的相对大小。如果将土体视为线弹性体，采用弹性力学求解，当桩体绝对柔性时，土体位移最大，其左侧侧向分布力为P0（x）；当桩体绝对刚性且没有刚体位移时，土体位移最小为0，则其左侧分布力为2P0（x），且右侧弹簧反力为0。可见该模型可以反映出被动桩的特点，实际中桩体受力在P0（x）与2P0（x）之间。若要确定侧向力的准确值，需要进行反复迭代计算，直到土体的位移与桩体侧向力满足力与变形的协调关系为止。

由于采用迭代计算过于复杂且费时，实际工程中常采用简化的方法。文献［12］提供了一个实用计算方法，如式（3）所示：

式中：σz为基桩深度z处的竖向附加应力，可按弹性力学求解；K0为静止土压力系数，可取为经验值K0=1-sinφ'，其中φ'为土体的有效内摩擦角；D为基桩承受土压力的横向范围；α为考虑桩土变形的增大系数，当桩体无变形或位移时，取α=2，当桩体绝对柔性时，取α=1。

该简化方法认为无桩时土体的侧向力为σz·K0，这比直接采用弹性力学解得的侧向力更能反映出软土的特点，并采用放大系数α代表桩土相互作用对侧向力的影响，文献［13］认为可直接偏安全的取为2。

3.3 结果分析

针对实体工程桥梁采用Midas Civil建立单桩模型，桩侧土弹簧刚度按式（2）的方法计算，结果如表3所示。台后路基填筑对基桩产生的横向荷载按式（3）的方法计算，α取2；由于缺少细砂与卵石有效内摩擦角的数据，偏安全地取为粉质粘土的内摩擦角，计算可得侧向荷载分布如图4所示。

计算得到的侧向力作用下的基桩弯矩图与位移图如图5所示，最大弯矩183.64 kN·m，位于桩顶向下约11 m的位置；最大水平位移3.7 mm，位置在桩顶。从计算结果看，侧向力对基桩的影响较小，这与桥台的观测结果相符。

此外还需要考虑桥台台背土压力作用和分配到桥台的车辆制动力作用，通过在桩顶节点施加节点水平荷载和集中弯矩实现。最后，结合桩顶的竖向压力，对基桩承载能力极限状态与正常使用极限状态进行验算。计算结果表明，基桩的抗压稳定性，抗弯、抗剪承载力以及抗裂性均满足规范要求。

表3 土弹簧刚度值 kN/m

图4 侧向力作用下基桩的弯矩图与位移图

图5 侧向力作用下基桩的弯矩图与位移图

4 结论

该桥台地基淤泥质粘土厚度达到20 m，软弱路基在台后填土作用下产生较大的固结沉降，对桩身产生负摩阻作用和水平推力作用。根据现场检查和理论计算的结果，结论如下：

（1）桩周软土沉降引起桩基础竖向荷载增大，承载能力损失，但桥台基桩竖向承载能力仍然满足规范要求，并有一定的富余量；

（2）桥台基桩在软土水平推力的作用下，其抗弯、抗剪、抗裂均满足规范要求，另外，桩顶水平位移也较小，不影响正常使用；

（3）现场观测表明桥台未发生明显的沉降或水平位移；

（4）基于以上分析，该桥桥台桩基础仍然满足规范要求，台后软土沉降对桩基础影响有限，且沉降已趋于稳定，因此暂时不作维修处理。但是考虑到软土地基的蠕变特性，需要在各桥台台帽上设置观测点，以定期观测各点竖向与横向的变位，以避免可能存在的安全隐患。

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Effect Analysis of Soft Soil Settlement on Abutment Pile Foundation

Ma Guanglin1， Jiang Fa1， Ma Xuejun2， Yan Chen3
（1. Qingdao Municipal Engineering Design Research Institute， Qingdao 266071， China；2. Jiaoke Transport Consultants Ltd， Beijing 100191， China；3. School of Transportation， Southeast University， Nanjing 210096， China）

This paper takes a practical project as an example， analyzes the effect of settlement in soft soil on abutment pile foundation. The effect of negative skin friction is considered firstly， and the interaction mechanism between passive piles and soil is analyzed emphatically， the finite element calculation model and the parameters of model are also given. The practical engineering calculation is carried out for review.

settlement of soft soil； negative skin friction； passive pile； finite element mode

U442.2

A

1672-9889（2016）01-0057-04

麻广林（1979-），男，广西人，高级工程师，主要从事道路桥梁工程工作。

2015-05-27）