淤积土桥梁桩基承载能力影响参数敏感性分析

2022-06-17郝向炜

公路交通科技 2022年5期

于莹，郝向炜，余波，李鹏，侯涛

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150006；2.中路高科交通检测检验认证公司，北京 100089；3.江苏方洋物流有限公司，江苏连云港 222065；4.中铁二十局集团第六工程有限公司，陕西西安 710032)

0 引言

桥梁桩基础是工程建设过程中一种常用的地基处理方法，研究桩基础承载能力特性对于桩基础设计、布置是十分重要的，由桩基和连接于桩顶的承台构成[1]。桩基础通常是处于地下的或水下的，由于地基土性质的不确定性、施工过程的复杂性、技术要求的严格性和施工的难度，桩基础容易出现质量问题[2]。

河流入海口处淤积土层较深，对桩基的承载能力存在着一定程度的影响。同时桩基的尺寸，如桩径、桩长等也是影响桩基承载能力的因素。2018年王小卫、何玲[3]基于工程实例进行大直径超长钻孔灌注桩承载力足尺试验，分析其竖向极限承载力、桩端及桩身变形特性、桩侧阻力与桩端阻力变化规律。试验结果表明：在竖向荷载的作用下，大直径超长钻孔灌注桩属于摩擦型桩基，承载力主要依靠侧摩阻力承担。2019年刘耀东、聂闯、梅靖宇等[4]按照一定相似比进行了桩顶竖向荷载条件下的超长桩室内模型试验，并利用有限元软件分析并讨论了超长桩竖向承载力发挥的各种因素，结果表明桩长和桩径的增加都可以提高超长桩的极限承载力，但同时也会导致桩顶沉降量加大，故对于上部结构沉降量有要求的基础，桩长的增加需要经过沉降量验算。2019年刘红军、孙鹏鹏、胡瑞庚等[5]研究了在固定环境荷载的情况下，将土体分层，研究不同土质条件下桩基水平承载力的差异，研究表明海床上层土体的强度对桩基水平承载力起关键性作用，上软下硬海床与纯软土海床相比水平承载力大约提高25%，而上硬下软海床与纯软土海床相比水平承载力约提高3倍。但是目前对于不同环境荷载组合条件下桩基承载力的分析较少，且对于分层土体条件下的桩基承载力研究仍不够充分。2019年郭中华等[6]对海上淤积区斜拉桥超长桩基承载力进行了自平衡法试验，成功解决了海上淤积区斜拉桥超长桩基极限承载力的研究问题。2019年袁榛、梁斌等[7]研究了海上淤积区斜拉桥超长桩基础竖向承载特性，结果表明桩基础以侧摩阻力承载为主，但淤积区桩侧摩阻力几乎不发挥承载作用，超长桩主要依靠较好土层的桩侧摩阻力承载，在相同荷载下，桩径与桩长的增大均会减少桩基的沉降量，但桩径的改变对沉降的控制效果更明显。为了使桩基础满足安全、经济、可靠的原则，做一定数量的桩基静载试验来确定单桩承载力是有必要的[8-11]。可见关于不同荷载、桩基形式以及荷载作用等条件，不同类型及尺寸的桩基承载性仍有待进一步研究，通过试验方案比选，最终确定采用自平衡试桩法对入海口处工程桩进行试验获得数据[12]。一方面分析桩基承载能力的主要影响因素，另一方面也验证自平衡试桩法在淤积土地区的可行性[13]。本研究主要对淤积土桥梁桩基的承载能力影响参数进行分析，研究不同桩长、桩径对桩基轴向力、侧摩阻力和极限承载力的影响。

1 工程概况

1.1 工程背景

本研究依托海南省东方市南港河大桥进行分析，该桥上部结构为(35+40+45+40+35)m预应力混凝土现浇连续箱梁，下部结构桥墩采用花瓶式桥墩接承台桩基础，桥台采用肋板式桥台接承台桩基础。其中，桥墩桩基础桩长27 m，桩径1.0 m，桥台桩基础桩长21 m，桩径1.2 m，全部采用C35混凝土浇注而成。桥址范围内地质情况：上部主要为1.0～3.0 m厚的冲积淤积质土，下部主要为10.0～20.0 m厚的粉质黏土及2.0～5.0 m厚的粉细砂。桥梁立面布置图如图1(a),(b)所示。

图1 桥梁立面布置图(单位：cm)Fig.1 Layout of bridge elevation (unit:cm)

1.2 桥梁桩基地质情况分布

南港河大桥位于海南省东方市板桥镇，地处入海口地区，地貌特征受海水控制，微地貌发育，多平原。建筑场地的地貌属于受海水冲击的淤积地区，深层覆盖着层厚不均匀的淤积土，由于淤积地区的桩基受力特点不明确，会影响到工程中桩基的承载能力计算[14-15]。故所选试桩位于入海口淤积区层，具体土层分布情况见表1。

表1 桥梁桩基的土层情况Tab.1 Soil layer condition of bridge pile foundation

2 淤积土桩基承载能力参数敏感性分析

使用ABAQUS有限元软件对桩-土接触进行模拟分析，对两根典型工程桩进行模拟分析影响桩基工作性能的重要参数。根据《工程地质手册》查出试桩的基本参数和现场的工程地质情况见表2，3。

表2 试桩参数Tab.2 Test pile parameters

桩基的承载性能的影响因素包括土体的弹性模量、黏聚力、内摩擦角、泊松比等，桩基的弹性模量、桩长、桩径等因素也会对桩基的承载能力和沉降产生影响[16-17]。使用ABAQUS建立柱-土接触有限元模型，模拟自平衡试验过程，通过特定的方法转化成传统静载法的Q-S曲线，获得桩基的承载能力。桩体和土体均采用CAX4R单元进行模拟，使用缩减积分方法，考虑沙漏控制，有限元模型如图2所示。

表3 土层参数Tab.3 Soil parameters

图2 模型单元Fig.2 Model elements

桩体混凝土等级为C35，土体的应力-应变关系是土体的本构模型中模拟桩-土接触的最基本参数。在ABAQUS中分析桩和土的相互接触问题时，通常会选用Mohr-Coulomb屈服准则分析桩-土的共同作用。在Mohr-Coulomb屈服准则中规定，如果作用在土体上某点的剪切应力和土体的抗剪强度相等时，土体就会立刻发生破坏[18]。剪切强度和该面上的正应力成正相关关系，即：

τ=σtanφ+c，

(1)

式中，c为模型中土体给定的黏聚力；σ为模型中土体给定的有效法向应力；φ为模型中土体给定的内摩擦角。

由上述公式可知，土体滑移面上的黏聚力c和土的摩擦阻力共同组成了土体的剪切强度，土体滑移面上的黏聚力c反映了土体的土颗粒间相互结合的性质，土的摩擦阻力与土体剪切面上的有效法向应力成正比，二者的比例系数为tanφ，tanφ可以有效地反映土体的摩阻力。使用Mohr-Coulomb本构模型时，需要输入正确的模型参数，包括土体的弹性参数和土体的塑性参数。

在桩-土的接触面上需要建立接触行为，桩-土之间的接触面的相互作用通常包括两方面：一方面是法向行为，一方面是切向行为。切向行为一般包括接触面之间的相对滑移和有可能存在的摩擦剪应力[19-20]。当模型中的两个面相互接触时，ABAQUS会自动生成接触约束，这种接触被称为硬接触。

法向力和切向力会同时存在于接触面之间。当两个接触面接触时，应该同时考虑相对滑移所产生的摩擦力，在模型接触分析过程中一般采用摩尔库伦模型来定义摩擦系数，摩擦系数可以反映两个平面接触产生的摩擦力大小[21]。其计算公式如下：

τcrit=min(μp,τmax),

(2)

式中，τcrit为临界的剪切应力；μ为摩擦系数；p为接触面之间的压力；τmax为用户限制的摩擦力最大值。

事实上在ABAQUS中，完全模拟接触面之间的摩擦行为是不现实的，只能用罚来表示，罚是指允许滑移，如图3虚线所示。接触面之间存在两种状态，一种是黏结，一种是滑移，两种状态的连续性直接影响模型是否收敛。

图3 接触面间的行为Fig.3 Behavior between contact surfaces

在桩基自平衡试验过程中，上段桩主要承受力来自于自重、桩侧土体的侧摩阻力以及荷载箱所提供的竖直向上的荷载。下段桩主要承受桩端的阻力、桩侧的摩阻力和荷载箱所提供的竖直向下的荷载。在ABAQUS中通过对上段桩体施加重力及速度来模拟自重，荷载箱加载力会使用均布压强来添加，这样更有利于模型收敛[22]。设置桩-土之间的摩擦系数，模拟桩-土接触过程中的摩阻力。

在边界条件上，应对桩侧进行对称约束，对桩底进行固结约束。桩与土接触的有限元模型呈对称结构，为简化计算工作量，建立1/4模型进行模拟计算[23-24]。

2.1 桩长的变化

为研究桩长变化对淤积土区钻孔灌注桩承载力的影响，假定桩基的地质条件相同，分别建立桩长为30，40，50，60，70和80 m，桩径均为1 m的ABAQUS有限元分析模型，分析桩长对桩基承载力的影响。计算得到不同桩长情况下的荷载-沉降曲线、桩轴力变化和桩侧摩阻力的变化曲线分别如图4～图6所示。

图4 不同桩长情况下荷载-沉降值曲线Fig.4 Load-settlement curves with different pile lengths

图5 不同桩长情况下桩轴力变化曲线Fig.5 Curves of pile axial force with different pile lengths

图6 不同桩长情况下桩摩阻力变化曲线Fig.6 Curves of pile friction resistance with different pile length

由图4可知：在同一荷载作用下沉降量随桩长的增加而减小，并且随着荷载的增加，不同桩长的沉降量差值越来越大。当桩径一定时，桩长的增加能够起到增加桩基承载能力的作用，荷载沉降值曲线也由陡变型变为缓变型。在桩长由30 m增加到60 m 时，桩基的承载能力提高很大，由3 400 kN增加到13 600 kN，此时桩基承载力提高了25%。但桩长达到60 m后，桩长的增加对桩基承载力的提高已不明显。当桩长由70 m增加到80 m时，此时桩基的承载力几乎没有提高。

由图5可知：桩长的改变不影响桩顶的轴力，桩顶的轴力随着荷载的增加呈线性增长趋势。桩长30，40，50，60，70和80 m的桩基在极限荷载的作用下，桩端的轴力分别为224.47，318.23，430.98，402.73，365.44和333.54 kN，端阻比分别为6.18%，5.87%，4.85%，3.26%，2.98%和2.72%。随着桩长增加，桩端阻力所能发挥的承载作用百分比越来越小，相比整体的桩基承载力，桩端阻力所发挥的承载能力非常小。

由图6(a),(b)可以看出：桩长的改变并不影响各土层发挥其摩阻力的最终值，但是随着桩长的增加，桩端的摩阻力减小，桩端的摩阻力和桩长呈反比关系，桩长越长，桩基的承载特性越好。桩基处于淤积土部分的摩阻力变化趋势在桩长改变时也基本相同，在达到极限荷载时，桩长为30，40，50，60，70和80 m的桩基处于淤积土区的桩侧摩阻力分别占总摩阻力的4.86%，4.77%，4.52%，4.24%，4.32%和4.16%，以上分析结果表明桩长的改变对处于淤积土区的侧摩阻力影响不明显。

2.2 桩径的变化

为了模拟桩径的变化对桩基承载能力的影响，桩径分别选取0.6，0.8，1.0，1.25，1.5，2.0，2.5和3.0 m，在其他条件均相同的情况下，建立ABAQUS桩-土有限元模型，模型中加载情况按照实际的荷载试验进行分级加载，计算得到不同桩径情况下荷载沉降曲线、桩轴力的变化曲线和侧摩阻力的变化曲线分别如图7～图9所示。

图7 不同桩径下荷载-沉降值变化曲线Fig.7 Load-settlement curves with different pile diameters

图8 不同桩径下桩轴力变化曲线Fig.8 Curves of pile axial force with different pile diameters

图9 不同桩径桩基摩阻力变化曲线Fig.9 Curves of friction resistance of pile foundation with different pile diameters

由图7可知：相同荷载作用下，桩的沉降量随桩径的增大而减小，增加桩径能有效控制桩基的沉降值。桩长一定时，增加桩径能够有效的提高桩基的承载能力。当桩径由0.6 m增加到1.5 m时，桩基的极限承载力从3 400 kN提高到13 600 kN，桩基的承载力提升幅度非常明显，主要是由于桩径增加了也就增加了桩-土之间的接触面积，使桩周的侧摩阻力的合力增大，提高了桩基的承载能力。但是当桩径超过1.5 m后，随着桩径的增加，桩基承载力提高不明显。当桩径由2 m增加到3 m时，承载能力几乎没有增加，故增加桩径已不能继续提高承载能力。

由图8可知：当荷载不超过极限荷载时，随着桩径的增大，桩端的轴力几乎不受影响。当达到极限荷载时，桩径为0.6，0.8，1.0，1.25，1.5，2.0，2.5和3.0 m的端阻比分别为4.41%，3.92%，3.53%，3.43%，2.94%，2.65%，2.47%和2.35%，这表明桩径增加并不影响桩基主要依靠摩阻力来起到承载作用。

由图9(a),(b)可知：桩径的改变直接影响非淤积土区各土层桩基的侧摩阻力，由于桩-土的接触面积随着桩径的增大而增大，故桩径越大，各土层所能发挥的摩阻力的最终值也越大。但桩径的改变基本不影响淤积土区桩基的承载力，淤积区桩侧的摩阻力仅为非淤积土区桩侧的摩阻力的4.46%，4.32%，4.56%，4.71%，4.49%，4.38%，4.42%和4.31%。并且随着荷载继续增大到极限荷载，不同桩径下淤积土区桩基的侧摩阻力均没有达到最终值。

2.3 荷载箱位置的变化

自平衡就是利用在试桩过程中自身反力平衡的特点，计算桩基的承载能力。如果需要试桩自身的反力相同，就必须找到使上段桩和下段桩自身的摩阻力和桩端的阻力相互平衡的位置，这个位置就是自平衡点。荷载箱如果不是放在自平衡点上，就会使试验结果有偏差，对测试精度的影响非常大。但是这种影响也不能被过分夸大，经过正常的勘测和合理的计算，这种影响是在可控的范围内的。

利用ABAQUS有限元软件分别建立荷载箱处于平衡点以及平衡点以上和平衡点以下的有限元模型，并保持其他条件不变，分析荷载箱位置位于在平衡点以上或者以下时，对整个桩基承载力的影响关系。

由图10可知：当荷载箱刚好放置在平衡点上时，得到的承载力是桩基础的极限承载力，那么放置在平衡点以上或以下得到的承载力均小于极限承载力。从图10中可以看出放置在平衡点上时得到的承载力最大，放置在平衡点上部的次之，放置在平衡点下部的承载力最小。造成这种现象的原因是下段桩需要考虑桩端阻力的影响，这就使得下段桩测出的极限承载力偏小一些，所以说曲线从上至下依次为：(1)平衡点以下；(2)平衡点以上；(3)平衡点。

图10 荷载箱位置不同桩顶的荷载-位移曲线Fig.10 Load-displacement curves of pile top at different load cell positions

2.4 桩周土体黏聚力的变化

为了研究桩周土体的黏聚力对单桩竖向承载力的影响，利用ABAQUS建立不同桩周土体黏聚力的对比模型进行比较得出桩周土体黏聚力对承载力的影响。

由图11可知：桩顶的位移随着桩顶荷载的增大而增大。当桩周土体黏聚力增大时，桩顶的位移变小，桩的极限承载力增大。当桩周土体黏聚力从0增加到1 kPa时，桩基的承载能力提升巨大。当桩周土体的黏聚力从1 kPa增加到3 kPa时，承载力的增大幅度变小。当黏聚力从3 kPa增长到60 kPa时，桩基的承载能力增加幅度更小了。这说明当桩周土体的黏聚力持续增大到一定数值时，桩侧土体的黏聚力就无法起到提高承载力的作用了。

图11 桩周土体黏聚力不同时桩顶的荷载-位移曲线图Fig.11 Load-displacement curves of pile top with different cohesive forces of soil around pile

2.5 桩基承载力影响因素对比分析

由图12可知：荷载箱位置的变化、桩周土体黏聚力的变化、桩长的变化这3条曲线比较接近，在初始加载时承载能力的提高相似，但是继续加载时桩长的变化对于承载力的提高显著高于黏聚力变化对承载力的影响，更高于荷载箱位置变化对承载力的影响。桩径的变化对极限承载力的影响最大。由以上曲线可以看出增大桩径是提升承载力最有效的手段。因为桩径的改变会直接导致加载吨位的改变，转换为承载力也更加直接。综合对比分析上述影响参数，提高桩基础承载能力有效的方法是扩大桩径、增大桩长、提高桩周土体黏聚力、改变荷载箱的位置。