地表堆载对临近城市立交桩基受力影响分析研究

2021-04-28张俊波

湖南交通科技 2021年1期

张俊波

(北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

0 引言

随着城市快速发展，城市立交系统越来越趋于完善，一般情况下，立交桥下方禁止堆放弃方土。然而在特定的环境下，由于各种原因，弃土会临时堆放在桩基附近，不合理的堆放会改变桥梁桩基的安全状态，影响其正常使用。此时便需要进行设计验算，合理地计算堆土距离、高度等参数，确保弃土的临时堆放不影响桥梁桩基受力状态[1-4]。近年来，国内外学者作了相关研究：陈星星等[1-2]采用有限元分析软件GeoStudio对桩基础在大面积堆载作用下的桩身变形、受力情况进行分析，结果表明大面积堆载作用致使桩身变形，对临近桩基安全有着重要影响；何文华等[3-4]以郑徐高铁徐州特大桥附近堆料场为背景，采用有限元分析堆载作用下桩身内力与变形及其引起的土体水平附加应力的分布规律，发现临近桩基堆载主要通过引起不均匀沉降和水平附加应力造成桥墩产生水平位移，尤其对于非嵌岩刚性桩，应重视不均匀沉降引起的桥墩倾斜；倪正田等[5-6]就软土地区地面堆载对邻近桩基影响进行了数值模拟研究，模拟分析了填土对邻近桩基的地面沉降水平位移、桩身变形、桩身轴力、桩身弯矩等的影响，得出桩身位移变化规律以及填土高度对桩基影响的安全距离。本文以某地区临近立交单桩桩基地表堆载为例，采用有限元软件ABAQUS建立数值模型，分析了桩基的受力特性，并探讨了堆载距离L、堆载荷载P和堆载宽度b对桩基轴力和沉降的影响规律，以期为类似工程设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

某城市立交桥为单桩基础，由于临近土方工程产生的弃土无处堆放，临时堆放于此。桩基直径为1.0 m，桩长50 m，其中地表以下42 m，堆载采用通长布置。根据现场工程地质条件，土体从上至下分为4层，依次为软黏土、粉质黏土、粉砂和粉土，深度依次为18.4、23.7、16.8、41.1 m。堆载与桩基位置关系见图1。

图1 堆载与桩基位置关系示意图(单位： m)

2 数值建模

2.1 模型建立

图2为采用有限元软件ABAQUS建立的数值模型，考虑到模型的边界效应，模型的长宽高分别取60、20、100 m，桩体和土体均采用实体单元模拟，除上边界以外，其他边界均进行位移约束，以模拟半无限体。本文土体采用摩尔库伦本构模型，土体的力学参数见表1。混凝土桩基采用线弹性模型，弹性模量取32 GPa，密度取2 600 kg/m3，泊松比取0.2。

图2 数值模型图

表1 土体的物理力学参数土层材料弹性模量E/MPa泊松比μ重度γ/(kN·m-3)粘聚力c/MPa内摩擦角φ/(°)堆土10.20.24200.03225软黏土7.50.23240.21018粉质黏土9.60.22220.18025粉砂12.50.23250.01028粉土15.20.20190.06021

2.2 计算工况

在模拟计算的过程中，考虑5种大小不同的堆载荷载P，取值分别为20、40、60、80、100 kPa；考虑4种不同的堆载距离L，取值分别为2、4、6、8 m；考虑4种不同的堆载宽度b，取值分别为6、10、14、18 m，根据以上参数分别进行工况分析。

3 数值结果分析

3.1 桩基受力特性分析

图3为堆载距离L取2 m、堆载宽度b取6 m、堆载P荷载取100 kPa时的模型竖向云图，由图3可知，在堆载作用下，相同水平位置的土体在桩基附近沉降更大，说明堆载会对桩基的变形产生不利影响。

图3 模型竖向位移云图

轴力是反映桩基安全状态的重要参数，为了对桩基在无堆载和有堆载作用下的桩基轴力进行对比分析，图4给出了堆载距离L为2 m、堆载宽度b为6 m时,桩基在无堆载和堆载P分别取20、40、60、80、100 kPa作用下的轴力沿桩基埋深的变化曲线。由图4可知，无堆载时桩基轴力最小，整体呈现出从桩顶到桩底轴力线性减小的趋势，说明此时桩侧不存在负摩阻力。随着堆载增大，桩基的最大轴力逐渐增大且最大轴力位置逐渐下移。无堆载和堆载P取20、40、60、80、100 kPa时的最大轴力分别为4 322、4 453、4 965、5 527、6 213、6 986 kN，说明在堆载作用下桩侧存在负摩阻力，使得桩的承载能力降低。相对于无堆载时，堆载P取20、40、60、80、100 kPa时轴力分别增大了3.0%、14.8%、27.9%、43.8%和61.6%，最大轴力发生位置分别位于桩深0、2.3、9.8、13.6、14.9、15.4 m。

图4 不同堆载作用下的桩身轴力分布

3.2 不同堆载距离L影响分析

堆载位置与桩基水平距离的不同对桩基轴力和沉降变形有影响，图5为堆载P取100 kPa，堆载宽度取6 m，堆载距离L取0、2、4、6、8 m时轴力沿桩基埋深的变化曲线。由图5可知，桩基轴力均表现为从上至下轴力先增大后减小的变化趋势。当堆载距离L取0、2、4、6、8 m时，桩基最大轴力分别为6 875、6 213、5 689、5 143、4 619 kN；相对于堆载距离L取8 m，L取6、4、2、0 m时,轴力分别增大了11.3%、23.2%、34.5%、48.8%，最大轴力均发生位置分别在桩深15 m附近。图6为堆载P取100 kPa，堆载距离L取0、2、4、6、8 m时桩基竖向沉降沿桩基埋深的变化曲线。由图6可知，桩基沉降值随着桩深增大而减小。当堆载距离L取0、2、4、6、8 m时，桩顶最大沉降依次为31.4、28.3、27.0、25.6、24.1 mm;相对于堆载距离L取8 m，距离L取6、4、2、0 m时,桩顶沉降分别增大6.2%、12.0%、17.4%和30.3%。

图5 不同堆载距离L时的桩身轴力分布

图6 不同堆载距离L时的桩身沉降曲线

综上所述，随着堆载距离增大，桩基最大轴力和最大沉降均基本呈现线性减小，改变堆载距离不会影响桩基的最大轴力产生位置，且桩基最大沉降均发生在桩顶位置。

3.3 不同堆载荷载P影响分析

堆载荷载的大小对桩基轴力和位移有一定影响。图7为堆载距离取8 m，堆载宽度取6 m，堆载荷载P取20、40、60、80、100 kPa时轴力沿桩基埋深的变化曲线。由图7可知，随着堆载增大，桩基的最大轴力曲线由接近线性变成曲线。当堆载为20、40、60、80 kPa时，最大轴力均在桩顶，但桩顶以下的轴力随着堆载增大不断增大；当堆载取100 kPa时，轴力最大值为4 619 kN，最大轴力发生在桩深15.2 m处。图8为堆载宽度取8 m，堆载荷载P取20、40、60、80、100 kPa时桩基沉降沿桩基埋深的变化曲线。由图8可知，桩基沉降值随着桩深增大而减小。当堆载荷载P取20、40、60、80、100 kPa时，桩顶最大沉降依次为24.1、21.7、17.8、14.6、11.5 mm；相对于堆载荷载P取20 kPa，堆载荷载P取40、60、80、100 kPa时，桩顶沉降分别增大27.0%、54.8%、88.7%和109.6%。

图7 不同堆载荷载P时的桩身轴力分布

图8 不同堆载荷载P时的桩身沉降曲线

综上所述，随着堆载荷载增大，桩基整体轴力和最大沉降均增大，且堆载荷载增大对增大桩顶沉降较为明显。

3.4 不同堆载宽度b影响分析

不同堆载宽度b对桩基同样有着重要影响，下面对桩基在不同堆载宽度b下的桩基轴力和沉降变形进行分析。图9为堆载P取100 kPa，堆载距离L取8 m，堆载宽度b取6、10、14、18 m时轴力沿桩基埋深的变化曲线。由图9可知，桩基轴力均表现为从上至下轴力先增大后减小的变化趋势。当堆载宽度b取6、10、14、18 m时，桩基最大轴力分别为4 619、5 256、5 967、6 412 kN;相对于堆载宽度b取6 m，b取10、14、18 m时轴力分别增大了13.8%、29.2%和38.8%，分别在桩深15.4、20.2、21.8、23.4 m处。图10为堆载P取100 kPa，堆载距离取8 m，堆载宽度b取6、10、14、18 m时桩基沉降沿桩基埋深的变化曲线。由图10可知，桩基沉降值随着桩深增大而减小，当堆载宽度b取6、10、14、18 m时，桩顶最大沉降依次为24.1、30.7、36.6、41.7 mm；相对于堆载宽度b取6 m，距离L取10、14、18 m时，桩顶沉降分别增大了27.4%、12.0%、51.9%和73.0%。