基于ABAQUS研究软土条件下路基填土对桥台桩基的影响

李克磊，袁有为

（天津市市政工程设计研究院 天津市 300051）

基于ABAQUS研究软土条件下路基填土对桥台桩基的影响

李克磊，袁有为

（天津市市政工程设计研究院 天津市 300051）

通过应用有限元软件ABAQUS建立软土地基条件下有台后填土时的三维桥台群桩基础模型，分析单桩和桩侧土体竖向相对位移关系、群桩中不同位置桩的桩侧负摩阻力以及填土高度和摩擦系数对桩侧负摩阻力的影响。研究表明填土高度、摩擦系数和单桩所处于群桩中的位置都是桩侧负摩阻力产生变化的原因。

软土地基；台后填土；群桩基础；桩侧负摩阻力

在我国沿海地区，土层中普遍存在着滨海或浅海相的淤泥或淤泥质软土。随着高等级公路的迅速发展，有越来越多的桥梁修建在这样的软土地基上。在路堤与桥梁的连接段，下卧软土层在路堤填土的作用下发生侧移和固结沉降，对桥台桩基产生不利影响，主要有［1］：

（1）软弱土层的固结沉降大于桩的竖向位移时，使桩基受到向下的负摩阻力，并引起不均匀沉降，影响桥梁使用功能。

（2）软弱土层被不断压缩并被侧向挤出，进而对相邻的桥台桩基产生侧向压力，使桩身挠曲变形，甚至会引起桥台前移，过大的前移会使背墙、伸缩装置或梁局部受压严重而破坏。

所以，正确分析桩侧负摩阻力和土对其侧向压力是至关重要的。虽然桩土相互作用已受到国内外工程界的普遍关注，并带来了许多理论和试验研究成果［2-5］，但是传统的现场荷载试验投入大，周期长，代价较大，所以利用已有的地勘和室内试验资料进行桩土相互作用的仿真分析是值得深入研究的。本文基于有限元软件ABAQUS，建立三维桥台群桩基础模型，研究软土条件下，路基填土引起的桩侧负摩阻力的变化和分布情况。

1　工程概况

沿海软土地区某桥桥台采用U型桥台，桩基由10根桩组成，桩径1.0m，桩长为70m，承台长21.1m，宽4.6m，台后填土高3m，桥台桩基尺寸如图1、图2所示。

桥台处各土层物理力学性质指标见表1。

2　有限元计算

2.1有限元模型的建立

采用有限元软件ABAQUS建立三维桥台桩基-地基-填土整体模型如图3所示。地基土顺桥向取50m，横桥向取70m，竖向取100m，采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型；台后填土、桩基、承台和桥台采用各向同性线弹性模型。

将性质相近土层进行加权平均处理，共简化为四层土，各土层呈匀质水平层状分布，计算参数如表2所示。

表1　土层物理力学参数表

表2　模型计算参数表

地基土体底部约束竖向和侧向位移，土体四周约束侧向位移。台身以及台后填土通过生死单元来实现。桩基、土体之间，承台、土体之间，填土、台背之间定义接触对来模拟结构和土的相互作用，接触摩擦系数μ=0.2。

2.2分析步骤

（1）计算由地基土体自重产生的初始应力场，导出各个节点的应力并作为初始应力条件保存成文件。

（2）在原模型基础上导入初始应力文件，进行初始地应力平衡。

（3）将桥台单元和台后填土单元激活，填土堆载过程持续180d，线性分布于整个分析步。

（4）计算完毕后对结果进行后处理。

3　计算结果分析

3.1桩体和桩侧土体竖向相对位移关系分析

图4是将桥台桩基各桩进行编号示意图。以桩8为分析对象，得出桩体与桩侧土体竖向位移关系如图5所示。

可以看出土体竖向位移从桩顶开始逐渐减小，在距桩顶三十多米处，减小至和桩体几乎一致，即达到“中性点”位置；三十多米下，土体位移保持和桩体变化一致且略小于桩体。

3.2不同位置处的单桩桩侧负摩阻力比较

以桩1、3、6、8为分析对象，得出各桩桩侧摩阻力随深度的变化情况如图6所示。

由图6可知，桩8侧摩阻力在三十多米处为零，达到“中性点”，和图5中桩体竖向位移达到和土体位移一致的位置是吻合的。中性点以上是负摩阻力，以下是正摩阻力。比较四根桩的负摩阻力，发现桩6大于桩1，桩8大于桩3，说明靠近填土的前排桩侧负摩阻力要大于后排桩侧负摩阻力，填土对前排桩的影响更大；也发现桩6大于桩8，桩1大于桩3，说明边桩侧负摩阻力要大于中桩侧负摩阻力，填土对边桩的影响更大。沈珠江院士曾在计算桩侧极限土压力时提出了土体“绕流”现象［6］。对本桥台桩基来说，由于前排桩桩周土体产生了“绕流”现象，土体绕过桩身从两侧向后排桩方向移动，故前排桩的遮拦效应使得后排桩桩前的土体位移减小；相应地，使得后排桩的桩侧摩阻力小于前排桩，中桩的桩侧摩阻力小于边桩。

将桩侧摩阻力沿桩长积分，即得到桩任意截面处以上摩阻力的合力，如图7所示。不难看出摩阻力合力的峰值位置和中性点是吻合的。中性点以下摩阻力由负转正，合力逐渐减小，到某一位置处合力由负值变为正值，即由下拉力变为上推力。

3.3填土高度对桩侧负摩阻力的影响分析

仍以桩8为分析对象，不同填土高度下的桩侧摩阻力变化情况如图8所示。图9是中性点附近的变化曲线局部放大图。

由图8、图9可知，桩侧负摩阻力随填土高度增加而增大，且中性点、负摩阻力最大值点均随填土高度的增加而逐渐下移。

3.4摩擦系数对桩侧负摩阻力的影响分析

仍以桩8为分析对象，不同摩擦系数下的桩侧摩阻力变化情况如图10所示。图11是中性点附近的变化曲线局部放大图。

由图10、图11可知，摩擦系数增大时，负摩阻力最大值点和中性点均随之上升，并且不像增大填土高度一样会使中性点以上所有点的负摩阻力增大，而是负摩阻力最高值点以上的部分呈增大趋势而最高值点以下的部分呈减小趋势，三条摩阻力变化曲线在中性点以上出现交错。

4　结语

本文应用有限元软件ABAQUS建立了在软土地基、有台后填土条件下的三维桥台群桩基础模型，分析了桩基与土体的竖向相对位移关系、不同填土高度和不同摩擦系数对桩侧负摩阻力的影响，并且比较了群桩之中不同位置桩的桩侧负摩阻力的大小。结果表明不同填土高度、摩擦系数下桩侧负摩阻力沿桩身的大小、分布情况以及中性点的位置不同；群桩中不同位置处的单桩桩侧负摩阻力大小也不同；而且桩侧摩阻力的产生、摩阻力由正值到负值的转变和“中性点”的升降变化的直接原因在于桩体和周围土体之间的相对位移关系。以上所得结论今后可为此类桥台桩基的设计与施工提供一定指导。

［1］ 蔡国军，刘松玉.软基上桥头路基填筑对桥台桩的影响研究综述［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（12）：2072-2077.

［2］ Teh C I，Wong K S.Analysis of downdrag on pile groups［J］. Geotechnique，1995，45（2）：191-207.

［3］ Sangseom J，Sooil K Jean L B.Analysis of downdrag on pile groups by the finite element method［J］.Computers and Geotechnics，1997，21（2）：143-16l.

［4］ 李光熠，汪彬.钢管桩负摩阻力及水平位移的测定［J］.岩土力学，1988，9（2）：89-97.

［5］ 王建华，陆建飞，沈为平.Blot固结理论在单桩负摩擦研究中的应用［J］.岩土工程学报，2000，22（5）：590-593.

［6］ 沈珠江.桩的抗滑阻力和抗滑桩的极限设计［J］.岩土工程学报，1992，14（1）：51-56.

Research on the Influence of Embankment Fill on Pile Foundation of Bridge Abutment in Soft Soil Based on ABAQUS

LI Ke-lei，YUAN You-wei
（Tianjin Municipal Engineering Design and Research Institute，Tianjin 300051，China）

The 3D model of bridge abutment and its pile group foundation in soft soil when subjected to embankment fill was built with the finite element software ABAQUS.On this basis，the relationship of vertical displacement between single pile and soil around it，the negative friction on piles at different locations in the pile group and the influence of embankment height and friction coefficient on negative friction on pile were analyzed.It was shown that embankment height，friction coefficient and the location of pile were all reasons of change of negative friction on pile.

Soft soil；Embankment fill；Pile group；Negative friction on pile

U443.21

B

1673-6052（2016）03-0026-04

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.03.009