地表堆载对临近桥梁群桩受力和位移影响分析

冯 超，赵 鹏

(新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院 乌鲁木齐市 830000)

0 引言

工程中经常会遇到土方临时堆放情况，不合理地设计土方堆放对于临近桥梁桩基安全具有较为重要的影响，因此，工程师们对此问题高度重视。近年来，国内一些学者对此进行了研究，主要有：赵伟封、黄清等[1-2]基于Terzaghi地基承载力公式，将地表的带状堆载等效为埋深为零的条形基础荷载，根据承载力计算公式中地基土整体剪切破坏时的滑动面形状，采用极限平衡法得到保证地基稳定的最大堆载高度以及带状堆载主要影响区的计算公式；王国粹等[3]提出了分析堆载对邻近桩基影响的简化弹性地基梁模型,并针对实际工程，与二维有限元计算结果进行对比，分析了该方法的可行性，讨论了地基反力系数对计算结果的影响，确定了地基反力系数的取值方法；王建华、孙茂强等[4-5]利用Biot固结理论和积分方程方法研究了表面有堆载的群桩负摩擦问题，根据基本解得出了群桩在圆形均布载荷作用下在时间域内的第二类Fredholm积分方程组，运用Laplace变换对上述积分方程组进行简化，求解上述积分方程组并进行相应的数值逆变换就可得出群桩在表面圆形均布载荷作用下的变形、轴力、孔压和桩侧摩阻力随时间的变化情况；马学宁、江洎洧等[6-7]为研究围载和单侧边载作用下群桩中不同位置桩基的受力差异，以3×3群桩基础为研究对象，进行围载和单侧边载作用下的模型试验，分析了不同位置桩基轴力、侧摩阻力、中性点位置和基桩承载力安全系数等的变化规律及差异。本文主要以某地区地表堆载临近桥梁群桩桩基为例，采用有限元软件ABAQUS建立数值模型，重点分析了堆载对桩体的位移、轴力和桩侧摩阻力的影响，研究结果可为类似工程设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

某高架桥为群桩基础，由于临近土方临时堆放于此，可能会对桩基产生一定的影响。桥梁桩基直径为1.0m，呈3×3分布，桩间距为3m，桩长58m，承台长和宽均为8.0m，高度为2.0m，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四层，依次为软黏土、粉质黏土、粉砂和粉土，深度依次为18.0m、24.0m、16.5m和41.5m。如图1(a)所示，为群桩与堆载关系示意图，图1(b)为桩基分布平面图，为了便于分析研究，对桩基进行了编号，由于对称性，上侧一排和最下侧一排序号相同。设计堆载宽度为8m，距离群桩承台边缘5m，高度为5m。根据单桩设计承载力，群桩承台顶荷载取39250kN，计算荷载采用均布压力，取485kPa。

图1 堆载与桩基位置关系示意图

2 数值建模

如图2所示，为了分析堆载作用下桥梁群桩桩基是否受到较大影响，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60m、30m和100m，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，用来模拟半无限体，土体采用摩尔库伦本构模型。桩基、承台以及堆载尺寸按照本文上一节交代内容模拟。如表1所示，给出了土体以及堆载土的弹性模量、摩擦角、重度、泊松比以及粘聚力等。混凝土桩基采用的线弹性模型，弹性模量取32GPa，密度取2600kg/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

3 数值结果分析

3.1 堆载作用下的模型变形分析

如图3所示，为设计堆载距离作用下模型整体竖向位移云图。由图可知，在堆载作用下，会使周围土体发生明显的沉降，并影响到桩基自身，此外由于桩土之间是相互作用，土体发生变形势必会影响桩基发生变位，因此，堆载会对桩基的安全产生不利影响。

图3 堆载作用下模型整体竖向位移云图

3.2 堆载作用下的桩体受力和位移分析

为了更为深入地分析设计堆载对群桩的影响，以桩身轴力、桩侧摩阻力以及桩身沉降作为分析对象，对堆载作用下1#～6#桩进行全面的监测，具体分析如下。

3.2.1桩身轴力

轴力是反映桩基安全状态的重要参数，如图4所示，给出了堆载作用下群桩桩身的轴力曲线。由图可知，桩身轴力呈现出沿深度向下轴力先增大后减小的趋势，桩底轴力大小基本相同。其中1#桩最大轴力为6.92×103kN，最大轴力发生在桩身埋深17m左右；2#桩最大轴力为5.70×103kN，最大轴力发生在桩身埋深16m左右；3#桩最大轴力为4.84×103kN，最大轴力发生在桩身埋深15m左右；4#桩最大轴力为3.86×103kN，最大轴力发生在桩身埋深15m左右；5#桩最大轴力为5.52×103kN，最大轴力发生在桩身埋深5m左右；6#桩最大轴力为4.58×103kN，最大轴力发生在桩身埋深5m左右。综上可知，1#桩、3#桩和5#桩的整体轴力要分别对应大于2#桩、4#桩和6#桩的轴力，即堆载对承台边缘一排桩基的影响要大于中间的一排桩基；同一水平方向上，1#桩和2#桩轴力最大，其次是5#桩和6#桩，最小的是3#桩和4#桩，说明角桩和边桩承担大部分桩顶荷载，中心桩分担的荷载比较小，堆载对中心桩轴力影响最小。

图4 堆载作用下桩身轴力曲线

3.2.2桩侧摩阻力

如图5所示，给出了堆载作用下群桩桩身的桩侧摩阻力曲线。由图可知，不同桩呈现出不同的变化规律，1#桩和2#桩的变化规律相同，在桩深0～17m范围内为负摩阻力，在深度8m处负摩阻力最大，最大值分别为-19.7kPa和-17.7kPa，随着桩深的增大，桩侧摩阻力由负到正过渡，且随着深度的增加，逐渐增大，最大值分别为69.1kPa和59.8kPa；3#桩和4#桩的变化规律相同，即沿着桩深增加，桩体的正摩阻力增大，且在土层分界面产生一定大小的波动，最终在桩端附近达到最大值，最大值分别为57.1kPa和50.6kPa；5#桩和6#桩的变化规律相同，沿桩深产生正摩阻力，且沿着桩深增加，桩体的正摩阻力逐渐增大，最大值分别为61.3kPa和56.6kPa。综上可知，仅从侧摩阻力方面来说，同一竖列上，靠近堆载的1#桩和2#桩所受影响最大，其次是5#桩和6#桩，最小的是3#桩和4#桩；同一水平行方向上，堆载对边缘桩的影响大于中间行的桩基，说明堆载对角桩侧影响最大，边桩次之，对中心桩影响最小。

图5 堆载作用下桩侧摩阻力曲线

3.2.3桩身沉降

如图6所示，给出了堆载作用下群桩桩身的沉降曲线。由图可知，不同桩均呈现出桩顶沉降值最大，随着深度的增大，桩底沉降最小。对于1#桩和2#桩，桩顶沉降分别为-57.6mm和-57.8mm，桩底沉降分别为-48.9mm和-50.6mm；对于3#桩和4#桩，桩顶沉降分别为-56.9mm和-57.0mm，桩底沉降分别为-50.6mm和-52.6mm；对于5#桩和6#桩，桩顶沉降分别为-56.1mm和-56.2mm，桩底沉降分别为-48.9mm和-50.6mm。即靠近堆载的桩顶沉降最大，远离堆载的桩顶沉降最小。此外，沿埋深方向1#桩、3#桩和5#桩的整体沉降速率要大于对应的2#桩、4#桩和6#桩的沉降速率。综上可知，仅从桩身沉降方面来说，单侧堆载使得靠近堆载侧的桩顶竖向沉降最大，远离堆载侧的桩顶竖向沉降最小，且堆载对角桩的整体影响最大，边桩次之，中心桩最小。

图6 堆载作用下桩身沉降曲线

4 结论

主要以某地区地表堆载临近桥梁群桩桩基为例，采用有限元软件ABAQUS建立数值模型，重点分析了堆载对桩体的位移、轴力和桩侧摩阻力的影响，得到以下结论：

(1)堆载作用下，使得周围土体发生明显的沉降，加之桩土之间的相互作用，会对桩基的安全产生不利影响。

(2)1#桩、3#桩和5#桩的整体轴力要分别对应大于2#桩、4#桩和6#桩的轴力，即堆载对承台边缘一排桩基的影响要大于中间的一排桩基；同一水平方向上，1#桩和2#桩轴力最大，其次是5#桩和6#桩，最小的是3#桩和4#桩，说明角桩和边桩承担大部分桩顶荷载，中心桩分担的荷载比较小，堆载对中心桩轴力影响最小。

(3)仅从侧摩阻力方面来说，同一竖列上，靠近堆载的1#桩和2#桩所受影响最大，其次是5#桩和6#桩，最小的是3#桩和4#桩；同一水平行方向上，堆载对边缘桩的影响大于中间行的桩基，说明堆载对角桩侧影响最大，边桩次之，对中心桩影响最小。

(4)仅从桩身沉降方面来说，单侧堆载使得靠近堆载侧的桩顶竖向沉降最大，远离堆载侧的桩顶竖向沉降最小，且堆载对角桩的整体影响最大，边桩次之，中心桩最小。