考虑桩侧摩阻力的桥桩单侧开挖稳定性精细化数值模拟分析

许修亮，唐 凯，吕世明，郭 丹，沈才华，郭金勇

(1.保利长大海外工程有限公司，广州 510623；2.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210024)

航运是我国综合交通的主要部分，具有运量大、成本低、污染少的优点，随着航运事业的发展，航道升级改造也成为新的发展需要[1-2]。在航道改造工程中，航道的拓宽及开挖造成土体卸荷，土体产生侧向移动，导致桩基产生侧向位移和弯矩，从而对桥梁整体的安全性和稳定性造成威胁[3-4]。沿海地区的航道工程多位于软土地区，且早期跨航道桥梁中单排墩柱式基础较多，其结构体系较薄弱[5]，需要在航道改造施工过程中对其周边进行有效的加固以保证其稳定性。

拉森钢板桩作为一种新型建材，具有施工速度快、施工费用低、防水性能好、环境适应性强等优点。目前拉森钢板桩已被应用于基坑支护[6-7]、地下管线迁改[8]、综合管廊[9]、围堰工程[10]、航道防冲加固等[11-15]方面，均取得了良好的效果。但有关拉森钢板桩在软土地区航道升级改造中用于桥梁桩基支护的研究报道较少，对拉森钢板桩在软土地区航道改造中的应用进行研究具有重要的实际意义。

本文结合实际工程，采用ABAQUS有限元软件，考虑桩土接触及参数的选择、拉森钢板桩的等效力学参数、原钻孔灌注桩桥桩施工特点、原航道开挖效应等复杂影响因素，建立精细化三维数值模拟模型，分析最不利荷载组合下航道开挖对桥桩的影响规律，验证了预设计方案的合理性。

1 工程概况

1.1 工程简介

本工程原四级航道由人工开挖而成，在航道开挖之前上方桥梁已建成，桥型为预应力混凝土系杆拱桥，主墩桩基础采用单排两根钻孔灌注桩，直径1.2 m、桩长32.4 m、系梁高度1.2 m、埋深1.6 m，立柱高5.2 m，墩顶横梁高1.5 m，桥桩具体形式如图1所示。

图1 桥桩结构示意图(高程：m，单位：cm)

由图1可知，航道开挖过程中桩周部分土体将被挖除，由于桩周土体的卸载，将对桩体受力产生一定影响，因此现状桥桩已处在现有航道开挖卸载作用状态，模拟时应考虑先前四级航道开挖的影响，原航道开挖时为增加河岸稳定性，在挡墙下方采用木桩加固，其挡土墙护岸结构见图2，航道升级开挖位置见图3(挖至挡墙前缘)。

图2 挡土墙护岸结构断面图

1.2 土层参数

根据地勘资料，天然土体分为9层，上覆1层人工填土，其中1层淤泥质土夹层成为潜在的滑动面，有限元计算地层分层表及初始参数见表1。

表1 土层计算参数表

1.3 加固方案及力学参数简化计算方法

航道宽度设计为45 m，三级航道升级开挖深度为1.5 m。桩基前方采用拉森钢板桩加固，目前常用的拉森钢板桩的具体规格尺寸见表2，本工程中拟选用FPS-Ⅳ型钢板桩，如图4所示。

表2 不同型号拉森钢板桩截面属性

图4 拉森钢板桩示意图

由于钢板桩的厚度远小于其他两个尺寸，同时钢板桩主要是受弯的构件，其抗弯截面模量是影响其力学响应的最重要的截面属性，因此将钢板桩简化为矩形截面，采用“等效抗弯截面模量法”来确定模型中钢板桩单元的厚度，主要步骤为设板单元厚度为x，并令板单元单位长度的抗弯截面模量等于钢板桩的单位长度抗弯截面模量，求得的x即为板单元厚度。

2 不同荷载组合下航道开挖对桥桩的影响规律数值模拟分析

2.1 三维精细化数值模型的构建

根据实际情况，对模型沿河中轴线和桥梁中轴线进行对称简化，建立的模型尺寸为35.1 m×22 m×43 m，其土层及边界如图5-a所示，有限元单元网格采用放射形方法划分，桩和附近的土体单元长度为10 cm，远处角落边界处单元长度2 m，有限元单元网格图如图5-b所示。

5-a 模型土层及边界 5-b 整体3D有限元网格模型

钢板桩加固底标高为-14.4 m，总宽度为11.0 m，距桩基纵向水平距离为4.0 m，钢板桩加固模型示意图如图6所示。

图6 钢板桩加固示意图

2.2 计算荷载

根据桥梁的设计资料，主要外荷载如表3所示。

表3 作用在桥梁单桩墩梁上的主要外力荷载

根据规范[16]，本文计算主要考虑桩身压弯极限承载力计算工况，结合表3的计算荷载，该工况考虑两种荷载基本组合：(1)荷载组合1：最大弯矩和最大轴力共同作用下桩身稳定性验算(竖向荷载：恒载×1.2+(汽车荷载+汽车冲击荷载) ×1.8；纵向荷载：制动力+摩阻力+支座温度应力)；(2)荷载组合2：最大弯矩和最小轴力作用下桩身稳定性验算(竖向荷载：恒载；纵向荷载：制动力+摩阻力+支座温度应力)。两种荷载组合情况下的桩基竖向荷载和水平荷载大小具体见表4。

表4 桩基础验算的主要最不利荷载组合

2.3 数值模型计算参数及分析步设置

(1)桩、土接触模拟。

桩土之间采用摩擦接触，摩擦系数采用静力触探试验所得各土层的侧壁阻力进行反算获得，具体计算方法如下

(1)

式中：D为钻孔探头直径；L1、L2为土层某处深度；ps为L1～L2深度范围内的平均侧壁阻力；f为探头和土体的摩擦系数；σ1、σ2为该土层顶、底面土体的自重应力(根据土体重度和深度计算)；K为水平侧压力系数。

由式(1)可得土层平均摩擦系数f的计算公式如式(2)所示，计算所得每个土层的桩土摩擦系数汇总于表1中，接触面上的本构模型在切向采用库仑摩擦本构模型，法向采用硬接触方式。

(2)

(2)主要材料有限元计算参数。

桩体混凝土模量较高，采用线弹性理论进行模拟，原护岸加固材料采用摩尔-库伦弹塑性模型进行模拟，具体参数如表5所示。

表5 原护岸加固材料有限元计算参数表

(3)数值模拟分析步的设置。

挖孔灌注桩初始应力场的形成(桩的自重作用下桩土为光滑接触，即形成初始应力场后桩土之间没有侧壁摩擦力)；施加桥梁的所有竖向荷载，并施工挡墙等护岸工程，然后开挖四级航道；施加所有纵向荷载(即水平荷载)；拉森钢板桩施工；开挖三级航道。

模拟过程以实际工程施工全过程为依据，采用塑性本构反映原四级航道开挖对现有桥桩的影响，从而使模拟计算结果更接近实际情况。

3 拉森钢板桩加固桥梁桩基的效果分析

3.1 加固前后桩基内力对比分析

(1)不同荷载组合下桩基内力变化规律。

不同荷载组合下沿桩体从上至下的轴力和弯矩图如图7、8所示。

图7 荷载组合1下沿桩深度的内力和弯矩分布图

将桩基在不同荷载组合下的内力进行汇总，每进行一个分析步，就将其内力与上一步相减得到桩基内力的增量值，不同荷载组合下桩基在不同分析步的增量如表6及表7所示。

表6 荷载组合1下拉森钢板桩加固后开挖航道不同分析步的内力增量表

表7 荷载组合2下拉森钢板桩加固后开挖航道不同分析步的内力增量表

结合图表可以看出，两种荷载组合下拉森钢板桩的加固效果均十分明显，桥梁桩基的内力增量最大仅为55 kN，弯矩增量最大仅为166 kN·m，拉森钢板桩对于卸载后桥梁桩基具有显著的支护效果，可以有效控制土体卸载导致桩身的内力增加，起到保护桥梁桩基的作用。

(2)不同荷载组合下拉森钢板桩加固前后的桩基弯矩对比分析。

对比采用拉森钢板桩加固后航道升级开挖和不进行拉森钢板桩加固的航道升级开挖模拟计算结果，得到如图9所示桩身弯矩对比曲线。

图9 不同荷载组合下钢板桩加固前后桩身弯矩对比图

由图可以明显看出，采用拉森钢板桩加固后航道升级开挖引起的桩基最大弯矩明显减小，荷载组合1下加固后桩身最大弯矩为1 566 kN·m，与无加固措施的1 922 kN·m相比减小了18.52%，荷载组合2下桩身最大弯矩减小24.2%，支护效果较好。

(3)拉森钢板桩加固后不同荷载组合下桩基拉应力分布分析。桩基在不同荷载组合下升级航道开挖后的桩基应力分布云图如图10所示。

由图10可以看出，由于土体开挖卸荷，桩身侧摩阻力有所损失，导致桩基在与土层接触的部分产生最大拉应力，相应的卸载部分产生最大压应力，两种最不利组合下桩身最大拉应力为6.206 MPa，最大压应力为11.74 MPa，小于桩体自身的设计承载力，说明拉森钢板桩支护后加固效果明显。

3.2 拉森钢板桩加固前后桥桩顶部变形分析

拉森钢板桩加固前后桥桩顶部在不同荷载组合不同分析步下的位移如表8及表9所示。

表8 荷载组合1下加固后桩顶在不同分析步的位移

表9 荷载组合2下加固后桩顶在不同分析步的位移

由表8及表9可知，采用拉森钢板桩加固后，桩顶的位移增量明显较小，两种最不利组合下升级三级航道引起的桩顶位移增量均为7.6 mm，与无加固升级三级航道引起的25.6 mm和29.2 mm相比分别减小了70%、74%，加固效果良好，但总体看单桩桥桩的抗扰动能力弱，而且河床软土夹层的存在加大了开挖河岸滑坡的位移量，加大了桥桩的变形，该桥型即使采用了加固方案，模拟结果中显示桥梁桩基内仍有较大拉应力，安全性较差，建议施工时应加强监测，进行实时动态监测安全控制。

4 结论

航道开挖时对临近桥桩将产生影响，由于桥梁桩基的允许位移和桩基内力控制要求高，特别对于单排桩基结构，自身抗扰动能力差，因此通常需要进行桥桩加固处理。受施工条件限制，拉森钢板桩工艺简单、施工灵活方便，成为很好的加固桥桩的方法。采用三维数值模拟技术，可以考虑原桥桩的施工历史过程、桩土接触特性、复杂地层和周边环境影响等复杂因素，预先对加固效果进行对比分析可以有效预测加固效果，为加固方案的优化提供参考。本文结合实际工程，进行拉森钢板桩加固前后对比分析，验证了设计方案的可行性。主要研究结论如下：

(1)拉森钢板桩加固后航道升级开挖引起的桥梁桩基内力增量最大仅为55 kN，弯矩增量最大仅为166 kN·m，与无加固措施情况下开挖模拟结果相比，桩身弯矩在荷载组合1、2下分别减小18.52%和24.2%，桩顶位移增量分别减小了70%和74%。拉森钢板桩可以有效控制桥桩桩身的内力和桩顶位移，加固效果明显。

(2)拉森钢板桩加固后开挖航道，两种最不利组合下，桩基由于土体卸载产生的最大拉应力为6.206 MPa，最大压应力为11.74 MPa，小于桩体自身的设计承载力，拉森钢板桩支护作用明显，但整体安全度不高，该种单桩桥型抗扰动能力差，由于软弱夹层的存在加大了开挖扰动影响，因此建议施工过程应加强监控量测，确保工程的实际安全性，设计时应尽量少采用单桩基础。