麻廣林，蔣　發(fā)，馬學(xué)軍，晏　辰

（1.青島市市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，山東 青島 266071；2. 北京交科公路勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100191；3.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096）

臺后軟土沉降對橋臺樁基的影響分析

麻廣林1，蔣發(fā)1，馬學(xué)軍2，晏辰3

（1.青島市市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，山東 青島 266071；2. 北京交科公路勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100191；3.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096）

文章結(jié)合實(shí)際工程案例， 基于有限元力學(xué)分析，研究了臺后軟土沉降對鄰近橋臺樁基的影響。分析時首先考慮了豎向負(fù)摩阻力的作用，并著重分析了被動樁與土體之間的作用機(jī)理，給出了有限元計算模型與模型參數(shù)的取值方法，并對實(shí)際工程中受軟土沉降影響的樁基礎(chǔ)進(jìn)行了計算復(fù)核。

軟土沉降；負(fù)摩阻；被動樁；有限元模型

公路是線性帶狀構(gòu)造物，跨越地區(qū)廣泛，沿線地質(zhì)條件復(fù)雜。軟土地基上，一般高度橋臺后填土沉降主要源于填土自重應(yīng)力作用下軟土地基的固結(jié)變形［1］。當(dāng)在軟土地基上修建公路橋梁時，臺后路基的填筑荷載往往導(dǎo)致下臥軟土層固結(jié)沉降并產(chǎn)生側(cè)向變形［2］，對鄰近的橋臺樁基產(chǎn)生不利影響。相關(guān)研究表明，軟土層固結(jié)沉降會對鄰近樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力作用，使得基樁豎向荷載增大，承載能力降低［3］，同時軟土層側(cè)向變形會擠壓樁基，對樁身產(chǎn)生水平推力，導(dǎo)致樁身撓曲甚至斷裂破壞，造成橋臺的水平位移或傾斜［4］。

上述2種作用都會對樁基的安全性造成影響，同時，橋臺產(chǎn)生過大的位移還會對上部結(jié)構(gòu)的安全性與使用性能產(chǎn)生不利影響［5］。因此，臺后軟土沉降是一個不可忽視的問題，一旦發(fā)生必須對樁基的安全進(jìn)行復(fù)核?，F(xiàn)有研究成果總結(jié)如下：聶如松，楊奇等［6-7］結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測，采用有限元程序?qū)Ω叱信_和低承臺橋臺在臺后填土過程中樁基的受力情況進(jìn)行了分析并總結(jié)出相應(yīng)的變化規(guī)律。胡建榮［8］采用有限元軟件對被動部分樁側(cè)極限土壓力進(jìn)行模擬，結(jié)合實(shí)際工程背景，對側(cè)移橋臺樁基進(jìn)行了分析，對軟土地區(qū)路堤堆載下橋臺樁基側(cè)向變形性狀進(jìn)行研究。李雪峰［9］采用有限元軟件對軟基橋臺樁基建立了三維有限元模型，通過設(shè)置樁土接觸單元對軟基橋臺樁基礎(chǔ)樁土相互作用進(jìn)行了研究。

本文結(jié)合實(shí)際工程中臺后軟土沉降的工程實(shí)例，對橋臺路基填筑對橋臺樁基產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。

1 橋臺地基土參數(shù)

某接線橋梁工程，橋梁兩側(cè)與道路相接的一聯(lián)布置均為先簡支后連續(xù)組合箱梁，分幅布置，下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩臺，樁長均為40 m。根據(jù)該橋的工程地質(zhì)勘察報告，橋位處覆蓋層主要為第四系沖洪積層，分布自上至下分別為素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、細(xì)紗、卵石。工程范圍內(nèi)的地下水為潛水與承壓水，潛水由上層滯水與孔隙水組成，埋深隨季節(jié)在2.5～6 m變化。承壓水賦存于卵石層中。橋臺位置地基土特性如表1所示。

表1 橋臺地基土參數(shù)

原始設(shè)計認(rèn)為，由于本道路修建均采用低路堤，高度不大于1.6 m，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)路基穩(wěn)定分析不需要驗(yàn)算，引起的沉降量也很小，因此未對路基做特殊處理。然而施工過程中發(fā)現(xiàn)路基有明顯沉降，對沉降進(jìn)行跟蹤觀測，結(jié)果表明全線路堤均有較大的沉降，以兩側(cè)橋臺的臺后沉降為例，自施工開始之后的一年內(nèi)，沉降值達(dá)到近80 cm。臺后路基沉降已導(dǎo)致臺后路面傾斜，橋臺搭板與道路相接處路面鋪裝開裂，橋臺與路基水平方向輕微錯臺 。觀測表明橋臺自身未發(fā)生明顯的沉降或水平位移，附近土體也未有剪切破壞的跡象。

分析其原因，由于該路段地基存在較厚的淤泥質(zhì)土層（約20 m厚），占樁長的1/2，較大的固結(jié)沉降對橋臺樁基產(chǎn)生長期的負(fù)摩阻力；此外淤泥質(zhì)土在豎向附加荷載的作用下產(chǎn)生側(cè)向擠壓變形，對以承受豎向力為主的樁基產(chǎn)生水平向的作用力，可能造成樁基開裂，甚至斷裂。因此需要對樁基進(jìn)行受力分析，并對其安全性進(jìn)行校核。

2 樁基礎(chǔ)豎向受力分析

基樁的豎向荷載效應(yīng)包括永久作用與可變作用。計算自重荷載、車輛荷載等作用時，借助有限元軟件Midas Civil，采用梁格法建立上部結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示，不考慮下部結(jié)構(gòu)的豎向彈性對反力的影響，用剛性支座模擬梁端支撐。計算車輛荷載時，選擇最不利的偏載工況進(jìn)行布載；計算單樁分配的荷載時，假設(shè)橋臺絕對剛性，按杠桿法進(jìn)行計算。

由于橋臺處地基有約20 m厚的軟土層，且發(fā)生了明顯的沉降，因此必須考慮負(fù)摩阻作用。計算負(fù)摩阻力的關(guān)鍵是確定中性點(diǎn)的位置。中性點(diǎn)以上土層相對樁身向下位移，產(chǎn)生負(fù)摩阻力；在中性點(diǎn)以下土層相對樁身向上位移，產(chǎn)生樁側(cè)正摩阻力，在中性點(diǎn)處樁身軸力達(dá)到最大值。因此，樁側(cè)負(fù)摩阻力使得部分樁側(cè)土非但不能成為承載力的一部分，反而相當(dāng)于對樁身施加外荷載，導(dǎo)致樁的承載力降低。

圖1 橋梁上部結(jié)構(gòu)有限元模型

負(fù)摩阻力的具體計算公式詳見文獻(xiàn)［10］對于中性點(diǎn)位置的確定，文獻(xiàn)［10］提供了參考表格。本橋樁底持力層為卵石，取中性點(diǎn)至地面的距離為淤泥質(zhì)土厚度的0.9倍。

樁基容許承載力的計算按《規(guī)范》中的要求進(jìn)行。進(jìn)行荷載組合時，按正常使用極限狀態(tài)的短期效應(yīng)組合，可變作用的頻遇值系數(shù)均取1.0，計算可得豎向荷載短期效應(yīng)組合3 256 kN，負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為1 420 kN，承載能力容許值為6 770 kN。

計算結(jié)果表明，考慮負(fù)摩阻力的影響后樁基仍能滿足規(guī)范的要求，且其承載力有一定的富余，是安全的。

3 樁基礎(chǔ)橫向受力分析

3.1 樁土作用的有限元模型

在分析基樁橫向受力時，現(xiàn)行《規(guī)范》是將埋在土中的樁視為支撐在彈性地基上的梁來考慮的。當(dāng)采用有限元來模擬計算時，可用桿單元來模擬樁，用水平方向的彈簧來模擬樁土之間的作用［11］，如圖2所示。

圖2 樁側(cè)土彈簧模型

圖2中每一個彈簧代表一定范圍內(nèi)土體對樁身的約束作用，可表示為：

式中：F為樁土之間的橫向作用力；δ為樁身水平方向的位移；K為彈簧的剛度，代表土體受到單位的壓縮時產(chǎn)生的力，K值可按下式計算：

式中：h0為單個彈簧所等效的土體豎向高度，取上下兩個桿單元一半長度之和；b0為作用在樁身的土體計算寬度，對于樁徑d大于1 m的圓形樁，b0=0.9×（d+1）；CZ為單位面積土體的水平向抗力系數(shù)，CZ=m0×h，m0為非巖石地基水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù)，h為截面的埋置深度，當(dāng)h＜10 m時，取h=10 m。

3.2 被動樁的特點(diǎn)與分析方法

對于樁體橫向受力的問題，根據(jù)樁土作用的因果關(guān)系，可分為“主動樁”和“被動樁”2種［7］。承受外荷載并主動向土體傳遞應(yīng)力的樁，稱為“主動樁”，而由于樁周土體在自重或外荷載作用下發(fā)生變形而受到擠壓的樁，稱為“被動樁”。本橋地基中的軟土層由于橋頭路基填筑而發(fā)生側(cè)向變形，橋臺基樁因此受到樁側(cè)土體的擠壓，是一種典型的被動樁。被動樁的特點(diǎn)是其所受的側(cè)向荷載不能直接確定，需要結(jié)合土體的變形位移大小，樁、土的剛度值以及樁土之間的位移協(xié)調(diào)關(guān)系來確定。

被動樁的受力分析如圖3所示。

圖3 樁、土位移線及被動樁受力模型

樁身的原位為圖3（a）中的AB線處，土體由于堆載而發(fā)生側(cè)向位移，如果不考慮樁對土體的作用，則土體的原始位移線如圖3（a）中虛線所示。當(dāng)考慮樁土作用時，同一點(diǎn)處樁、土的位移是一致的，因此樁對土體的變形產(chǎn)生阻礙。若樁絕對柔性，則樁的位移與土體的原始位移一致，其兩側(cè)的土壓力大小相等方向相反，樁身彎矩為0；若樁絕對剛性且未發(fā)生剛體位移，則樁、土的位移均為0，樁體左側(cè)受土壓力最大而右側(cè)壓力為0，此時樁體所受的彎矩也最大。實(shí)際樁體的位移介于上述2種情況之間，如圖3（a）中樁位移線，在A截面，由于土體的位移AA2大于樁身的位移AA1，因此土體對樁身的合力P=K·A1A2，方向向右；而在B點(diǎn)處，由于土體的位移BB2小于樁身的位移BB1，因此土體對樁身的合力P=K·B1B2，方向向左。樁體所受側(cè)向合力如圖3（b）所示，樁的剛度越大，樁體左側(cè)所受壓力越大而右側(cè)所受壓力越小，所受側(cè)向力的合力越大，樁身彎矩也越大。

被動樁的計算模型與主動樁相似，如圖3（c），彈簧的剛度可按式（2）確定，不同之處在于側(cè)向分布力的值不能直接求得，其大小取決于樁、土剛度的相對大小。如果將土體視為線彈性體，采用彈性力學(xué)求解，當(dāng)樁體絕對柔性時，土體位移最大，其左側(cè)側(cè)向分布力為P0（x）；當(dāng)樁體絕對剛性且沒有剛體位移時，土體位移最小為0，則其左側(cè)分布力為2P0（x），且右側(cè)彈簧反力為0?？梢娫撃Ｐ涂梢苑从吵霰粍訕兜奶攸c(diǎn)，實(shí)際中樁體受力在P0（x）與2P0（x）之間。若要確定側(cè)向力的準(zhǔn)確值，需要進(jìn)行反復(fù)迭代計算，直到土體的位移與樁體側(cè)向力滿足力與變形的協(xié)調(diào)關(guān)系為止。

由于采用迭代計算過于復(fù)雜且費(fèi)時，實(shí)際工程中常采用簡化的方法。文獻(xiàn)［12］提供了一個實(shí)用計算方法，如式（3）所示：

式中：σz為基樁深度z處的豎向附加應(yīng)力，可按彈性力學(xué)求解；K0為靜止土壓力系數(shù)，可取為經(jīng)驗(yàn)值K0=1-sinφ'，其中φ'為土體的有效內(nèi)摩擦角；D為基樁承受土壓力的橫向范圍；α為考慮樁土變形的增大系數(shù)，當(dāng)樁體無變形或位移時，取α=2，當(dāng)樁體絕對柔性時，取α=1。

該簡化方法認(rèn)為無樁時土體的側(cè)向力為σz·K0，這比直接采用彈性力學(xué)解得的側(cè)向力更能反映出軟土的特點(diǎn)，并采用放大系數(shù)α代表樁土相互作用對側(cè)向力的影響，文獻(xiàn)［13］認(rèn)為可直接偏安全的取為2。

3.3 結(jié)果分析

針對實(shí)體工程橋梁采用Midas Civil建立單樁模型，樁側(cè)土彈簧剛度按式（2）的方法計算，結(jié)果如表3所示。臺后路基填筑對基樁產(chǎn)生的橫向荷載按式（3）的方法計算，α取2；由于缺少細(xì)砂與卵石有效內(nèi)摩擦角的數(shù)據(jù)，偏安全地取為粉質(zhì)粘土的內(nèi)摩擦角，計算可得側(cè)向荷載分布如圖4所示。

計算得到的側(cè)向力作用下的基樁彎矩圖與位移圖如圖5所示，最大彎矩183.64 kN·m，位于樁頂向下約11 m的位置；最大水平位移3.7 mm，位置在樁頂。從計算結(jié)果看，側(cè)向力對基樁的影響較小，這與橋臺的觀測結(jié)果相符。

此外還需要考慮橋臺臺背土壓力作用和分配到橋臺的車輛制動力作用，通過在樁頂節(jié)點(diǎn)施加節(jié)點(diǎn)水平荷載和集中彎矩實(shí)現(xiàn)。最后，結(jié)合樁頂?shù)呢Q向壓力，對基樁承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算。計算結(jié)果表明，基樁的抗壓穩(wěn)定性，抗彎、抗剪承載力以及抗裂性均滿足規(guī)范要求。

表3 土彈簧剛度值 kN/m

圖4 側(cè)向力作用下基樁的彎矩圖與位移圖

圖5 側(cè)向力作用下基樁的彎矩圖與位移圖

4 結(jié)論

該橋臺地基淤泥質(zhì)粘土厚度達(dá)到20 m，軟弱路基在臺后填土作用下產(chǎn)生較大的固結(jié)沉降，對樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻作用和水平推力作用。根據(jù)現(xiàn)場檢查和理論計算的結(jié)果，結(jié)論如下：

（1）樁周軟土沉降引起樁基礎(chǔ)豎向荷載增大，承載能力損失，但橋臺基樁豎向承載能力仍然滿足規(guī)范要求，并有一定的富余量；

（2）橋臺基樁在軟土水平推力的作用下，其抗彎、抗剪、抗裂均滿足規(guī)范要求，另外，樁頂水平位移也較小，不影響正常使用；

（3）現(xiàn)場觀測表明橋臺未發(fā)生明顯的沉降或水平位移；

（4）基于以上分析，該橋橋臺樁基礎(chǔ)仍然滿足規(guī)范要求，臺后軟土沉降對樁基礎(chǔ)影響有限，且沉降已趨于穩(wěn)定，因此暫時不作維修處理。但是考慮到軟土地基的蠕變特性，需要在各橋臺臺帽上設(shè)置觀測點(diǎn)，以定期觀測各點(diǎn)豎向與橫向的變位，以避免可能存在的安全隱患。

［1］劉萌成，黃曉明.軟土地基上橋臺后填土工后沉降的數(shù)值分析［J］.公路交通科技，2004，21（12）：22-26.

［2］蔡國軍.軟土地基中橋頭路基填筑對橋臺樁的影響研究［D］.南京：東南大學(xué)，2004.

［3］劉敦平.軟土運(yùn)動作用下被動樁的樁-土水平相互作用研究［D］.長沙：湖南大學(xué)，2005.

［4］陳雪華，律文田，王永和.臺后填土對橋臺樁基的影響分析［J］.巖土工程學(xué)報，2006，28（7）：910-913.

［5］段斧，顏任安.軟土地基上橋臺的病害分析與對策［J］.中外建筑，2007（10）：95-97.

［6］聶如松，冷伍明，楊奇，等.低承臺橋臺樁基側(cè)向受力性狀試驗(yàn)與數(shù)值分析［J］.中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，43 （5）：1877-1884.

［7］楊奇.軟土路基橋臺樁基設(shè)計計算關(guān)鍵問題研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2006.

［8］胡建榮.軟土地區(qū)路堤堆載下橋臺樁基側(cè)向變形性狀研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2010.

［9］李雪峰.軟土地基橋頭路基填筑對橋臺樁基礎(chǔ)影響研究［D］.長沙：長沙理工大學(xué)，2011.

［10］ JTG D63—2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.

［11］趙明華. 橋梁樁基計算與檢測［M］.北京：人民交通出版社.2000.

［12］刑世玲，葉見曙，姚曉勵. 橋梁樁基礎(chǔ)有限元模型構(gòu)建思路與應(yīng)用［J］.特種結(jié)構(gòu)，2010（2）：77-80.

［13］楊光華.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)用計算方法及其應(yīng)用［M］.北京：地質(zhì)出版社，2004.

Effect Analysis of Soft Soil Settlement on Abutment Pile Foundation

Ma Guanglin1， Jiang Fa1， Ma Xuejun2， Yan Chen3
（1. Qingdao Municipal Engineering Design Research Institute， Qingdao 266071， China；2. Jiaoke Transport Consultants Ltd， Beijing 100191， China；3. School of Transportation， Southeast University， Nanjing 210096， China）

This paper takes a practical project as an example， analyzes the effect of settlement in soft soil on abutment pile foundation. The effect of negative skin friction is considered firstly， and the interaction mechanism between passive piles and soil is analyzed emphatically， the finite element calculation model and the parameters of model are also given. The practical engineering calculation is carried out for review.

settlement of soft soil； negative skin friction； passive pile； finite element mode

U442.2

A

1672-9889（2016）01-0057-04

麻廣林（1979-），男，廣西人，高級工程師，主要從事道路橋梁工程工作。

2015-05-27）