软土地基桩侧负摩阻力研究

2021-12-24王鸣宇

工程建设与设计 2021年21期

王鸣宇

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司上海分公司，上海200030）

1 引言

随着我国基础交通网的完善，公路与城市桥梁工程的建设规模日益扩大，施工质量控制也更加严格。桩基础由于承载性能较好，在桥梁基础工程中得到了广泛的应用。但是，桩基础在穿过软弱土层时，受到大面积堆载、地下水下降等因素的影响，非常容易出现负摩阻力，从而降低桩基础的承载能力，对桥梁工程的安全性产生较大隐患。鉴于此，许多学者也通过现场监测、数值模拟等手段来研究了软土地基桩基负摩阻力的计算，并提出一些有价值的研究成果，如田兆阳[1]利用OpenSees有限元平台研究了地震加速度对软土地基桩基础负摩阻力的分布形态，并对中性点位置进行了研究；杨晓美[2]分析了沿海地区软土的工程特性，并依托某工程桥梁，探讨了软土强度参数和弹性模量对桩基础负摩阻力的影响规律，并在此基础上对桩基的桩径和桩长进行了优化，取得了很好的经济效益。因此，研究软土地基桩侧摩阻力具有十分重要的工程意义。

2 软土地基桩侧负摩阻力的产生机理及特性

2.1 负摩阻力的产生机理

一般情况下，桩基础在受到上部结构等传来的竖向力后，存在向下位移的趋势，桩侧土对桩基础产生1个向上的正摩阻力。如果桥梁桩基础穿过压缩性较高的软弱土层时，在地表荷载、地下水下降、土层固结度不足等因素的影响下，软弱土层会产生较大沉降（大于桩基础本身位移），则桩基础相对于周围岩土体的位移将是向上的，土层对桩侧产生的摩阻力是向下的，此时摩阻力称之为负摩阻力，它可等效于作用在桩基础上的向下附加荷载，将降低桩基础的承载能力。

综上，软土地基桩侧产生负摩阻力的原因可能包括以下几个方面[3]：（1）桥台填土质量大或桥下大面积堆截，增加软弱土层中的附加应力；（2）地下水位的下降也会引起桩侧土体自重应力增加；（3）桩基础施工期间周围土体被扰动，使其发生再固结；（4）距离桩基较近的构造物或建筑物向桩侧土体中传递了较大的附加应力。

2.2 中性点位置计算

“中性点”的位置直接关系到软土地基桩侧负摩阻力的大小和分布规律。桥梁桩基中性点指的是摩阻力等于0的位置，此时桩基础与周围的位移速度相同，不存在相互运动发生位移的趋势。并且在中性点所在的断面处，桩基轴向力达到最大。中性点位置和桩基础周围土体性质、桩基础自身刚度、持力层刚度等因素密切相关，工程中确定中性点具体位置时有2种方法：一种是根据持力层岩土性质确定中性点深度比值，其中，黏性土、粉土取0.5～0.6，中密以上砂取0.7～0.8，砾石、卵石取0.9，基岩取1.0；另一种是按照桩基础的承载类型来预估中性点深度比值，其中，摩擦桩取0.7～0.8，端承桩取1.0。

2.3 负摩阻力的时间特性

软土具有一定的流变性和触变性，使得桩基础在运营期间存在一定的时间效应，如随着沉桩期间土体超孔隙水压力消散，桩基周围土的自重应力不断增加，沉降速度加快。相关研究表明，软土地基桩侧负摩阻力存在时间的长短受桩侧土体固结完成时间的影响，土的渗透系数越小，负摩阻力达到最大值的时间越长。

3 软土地基桩侧负摩阻力计算方法分析

3.1 荷载传递法

荷载传递法先将桥梁桩基础划分成若干个相互耦合的弹性单元，各单元和土体间均采用非线性弹簧联系，以反映桩侧阻力和剪切位移的关系。该方法在桩基础上任取一单元，均处于静力平衡状态，见式（1）：

式中，Pz为桩基础轴力，kN；τz为桩侧摩阻力，kPa；U为桩基础周长，m；z为埋置深度，m。

同时，随着桩基础埋置深度z的增加，各单元弹性模型逐渐减小，两者之间的关系可表示为式（2）：

式中，Ep为桩单元弹性模型，MPa；A为桩基础截面积，m2；w为桩单元在深度z处竖向位移，m。

将上述两式联合求解，可得到软土地基桩侧负摩阻力：

荷载传递法计算简单，能很好地反映软土地层和桩基础的非线性变形特性[4]，但无法考虑群桩基础中不同桩基间的相互干扰。

3.2 有效应力法

有效应力法也称β法，其中，β是有效应力系数，反映静止土压力系数和界面摩擦角对桩侧摩阻力的干扰，取值可参考表1。该方法是基于桩侧土的抗剪强度，认为桩土间的负摩阻力受桩侧土的有效应力影响，此，时桩侧负摩阻力的表达式为[5]：

表1 有效应力系数参考值

式中，f为桩侧负摩阻力，kPa；K0为静止土压力系数；φa为桩土界面摩擦角，（°）；σv为竖向有效应力，kPa。

3.3 数值计算法

近年来，数值计算法在岩土计算领域的应用日益普遍，常见的分析方法包括有限元法、有限差分法、离散元法、边界元法、流形元法等，其中，有限元法的应用范围最广。有限元法用于分析软土地区桥梁桩基的负摩阻力时，可以将桩基础的稳定性与负摩阻力的分布紧密联系，能更好地分析桥梁桩基础发生变形破坏的机理。

4 软土地基桩侧负摩阻力数值分析

桩径是影响软土地基桩侧摩阻力的关键因素之一。笔者拟依托某城市主干路桥梁项目，利用有限差分软件FLAC 3D建立二维平面模型，分析不同桩径下软土地基桩侧负摩阻力分布形态及变化规律。

4.1 工程概况

以某软土区域桥梁工程为研究对象分析桩侧摩阻力变化规律，道路等级为城市主干路，设计速度为60 km/h，设计荷载为城-A级。桥梁工程上部结构为现浇预应力混凝土连续梁等，桥墩为柱式墩，基础拟采用嵌岩圆桩，计算桩径分别取0.6 m、1 m、1.4 m、1.8 m。桩基础穿过软弱土层到达持力层，无岩溶、湿陷性黄土等其他特殊地质。

4.2 软土地基桩基础计算模型

1）材料本构

选择四节点的实体单元来模拟软土这类弹塑性变形介质，同时，忽略软土中的流固耦合效应，屈服准则采用M-C本构模型。M-C本构模型计算参数简单，只需输入软土的黏聚力和内摩擦角，计算结果偏安全,在桥梁工程计算中得到了广泛应用。桩基础可视为弹性变形介质，可用弹性梁单元来模拟，需要输入的参数有弹性模量、截面惯性矩等。

2）网格划分

由于网格大小和网格数量对软土地基桩基摩阻力计算结果影响较大，在确保桩基摩阻力计算精度和计算速度的前提下，桩-土模型的网格不进行加密处理，桩基础及周围土体的网格尺寸均取0.3 m，桩土接触面采用interface单元，最终共划分出单元1 258个，节点2 028个，如图1所示。

图1 桩-土有限元模型

3）约束条件

由于地下水位较低，对桥梁桩基摩阻力影响较小，可忽略不计，此时软土底部可设为不透水边界，并对其X方向、Y方向、Z方向完全约束；软土顶面属于自由边界条件，可发生竖向压缩和水平位移，且桩基础与周围土体之间的接触为完全耦合接触；对桩基础X方向约束，只产生竖向压缩变形。

4.3 桩侧摩阻力计算结果分析

1）不同桩径下桩侧摩阻力分布形态

计算桩侧负摩阻力时，仅调整控制桩径，其余参数如桩长、桩基弹性模量不变。计算结果表明：各桩基础均出现负摩阻力，且不同桩径的基础负摩阻力分布形态基本保持一致，即随着桩基深度的增加，桩侧摩阻力先增加后降低。在桩基深度为6 m时，桩侧摩阻力达到了最大。当桩基深度＞6 m时，各桩基础的负摩阻力迅速减小，但减小速率并不相同，对桩径越大的基础，负摩阻力减小速率越快。同时，当桩基础深度超过9 m时，各桩径的桩基础摩阻力约等于0，可认为9 m位置时桩基础的中性点。

2）不同桩径下桩侧摩阻力大小

通过FLAC 3D计算出的桩侧负摩阻力经后处理得到如图2所示的结果。

图2 桩侧负摩阻力与桩径关系

由图2可知，桩基础中心点以上的负摩阻力与桩径正相关，且随着桩径的增长，负摩阻力增长的速度越来越快，如果桩径超过1.4 m，桩侧各点负摩阻力迅速增加。当桩径从0.6 m提高至1.8 m，0.5 m、2 m、4 m、6 m、8 m位置处的负摩阻力增长率分别达到了114.3%、115.2%、130.7%、123.3%、150%。