馮忠居， 李孝雄,2， 蘇航州，王富春，王溪清，建鑫龍， 許萬貴， 葉方才

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064； 2.滁州學院 地理信息與旅游學院，安徽 滁州 239000；3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司， 陜西 西安 710065； 4.廣東大潮高速公路有限公司，廣東 廣州 514247； 5.寧波公路市政設計有限公司，浙江 寧波 315100)

0 引 言

中國的東南沿海地區(qū)軟土分布廣泛，影響軟基區(qū)橋梁樁基礎的力學與變形特性，高速公路橋梁工程穿越軟基區(qū)，其基礎形式主要為樁基礎，深厚軟基區(qū)橋梁樁基的受力狀況顯著區(qū)別于其他地區(qū)樁基：深厚軟基區(qū)橋梁樁基由于軟土的高壓縮性、高含水量、低強度和低密實度等工程特性，在一定深度內樁側土體軟化，樁基承載力降低、沉降量加大。

目前，國內外研究學者對深厚軟基區(qū)橋梁樁基的受力與變形機理進行了大量的研究。曾開華等認為，在柔性基礎下復合地基可發(fā)揮樁間土的承載能力，其樁-土應力比的變化趨勢為先減小后增大[1]。Oh Young In等對海相沉積軟土地區(qū)樁-網(wǎng)復合地基的有效性和如何減少沉降差異進行了研究[2]。Khatri等利用有限元分析和線性規(guī)劃的方法研究承載系數(shù)在軸向力增加情況下的變化過程[3]。魏棟梁等基于試驗所測得的數(shù)據(jù)，結合大理洱海軟土土層結構、性質特點，用有限元法對鉆孔灌注樁的受力性狀進行仿真模擬[4]。張強釆用有限差分軟件FLAC3D對深厚軟土區(qū)超長橋梁基礎的變形特性進行數(shù)值分析，得到了各施工工況下地基的應力場和位移場、群樁樁身軸力分布、群樁基礎變形、樁-土荷載分擔比[5]。武星等建立了軟土地基中摩擦型樁基-土相互作用的軸對稱模型，并提出了工程中摩擦樁設計合理樁長的概念[6]。鄭明新等采用ABAQUS研究發(fā)現(xiàn)，在深厚軟基上進行小厚度的填土會對鄰近樁基產(chǎn)生較大的影響[7]。影響深厚軟基區(qū)橋梁樁基礎豎向承載特性的因素復雜多變，針對某一影響因素開展的研究不夠全面，故馮勝洋[8]對深厚軟基區(qū)樁基礎工后沉降特性進行了大量的研究；陳旻[9]基于現(xiàn)場靜載試驗研究了深厚軟土地區(qū)樁基在荷載作用下的樁身應力、樁頂沉降量及樁端沉降量等的變化規(guī)律；張敏[10]等采用聯(lián)合測試法確定出了深厚軟基區(qū)深長樁基礎壓縮層厚度；楊明輝提出了深厚軟基區(qū)超長群樁有效樁長的確定方法。

基于筆者在橋梁樁基礎方面取得的研究成果[11-13]，本文選取軟土層厚度、樁長、樁徑作為研究變量，采用理論分析與數(shù)值仿真分析等手段對深厚軟基區(qū)橋梁樁基豎向承載特性進行分析，深入研究深厚軟基區(qū)橋梁樁基在豎向荷載作用下的樁基豎向極限承載力、樁側阻力及樁端阻力變化規(guī)律。

1 豎向荷載作用下的樁基受力與變形特性

1.1 樁側阻力特性

軟土由于高壓縮性、高含水量和低密實度等工程特性易產(chǎn)生沉降。當?shù)鼗脸两敌∮跇痘两禃r，地基土對樁側表面產(chǎn)生向上的摩阻力；當?shù)鼗恋某两荡笥跇兜某两?樁身壓縮及樁尖下沉)時，樁側土相對于樁向下移動，壓縮的地基土對樁側產(chǎn)生向下的摩阻力，即負摩阻力，如圖1所示[14]。樁身分布負摩阻力時，一般存在中性點，在該深度樁-土相對位移為零、樁身摩阻力為零。當樁基沉降大于樁周土體沉降時，樁側只存在正摩阻力，但由于軟土強度較低，表現(xiàn)為軟化特性，樁側摩阻力分布為R形。

圖1 深厚軟基區(qū)橋梁樁基側摩阻力

1.2 樁端阻力特性

樁側摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮是相互影響的，因軟土抗剪強度低，提供樁側摩阻力較小，且軟土由于固結和次固結產(chǎn)生較大沉降，樁側易產(chǎn)生負摩阻力，因而樁端需提供較大承載力。相同地質條件下，樁端阻力隨著樁頂沉降量的增加而增大。

1.3 豎向荷載下樁-土相互作用模型

豎向荷載作用下樁-土相互作用主要為樁與土層之間的接觸問題，即樁側阻力和樁端阻力如何發(fā)揮。橋梁樁基礎位于軟土范圍內時，樁側摩阻力和樁端承載力降低；當樁穿越軟土層時，下伏較硬土層抗剪強度高、壓縮量較小，因此位于軟土下伏較硬土層內的樁側阻力、樁端承載力均有所增加，樁基承載力高于未穿越軟土層的樁基，且樁頂沉降量較小。

2 豎向荷載作用下的樁基承載特性數(shù)值仿真分析

2.1 模型建立及參數(shù)選取

依據(jù)樁基礎的力學特性和數(shù)值計算對樁周土影響范圍的要求，樁周土范圍取10倍樁徑，樁端土層厚度為0.5倍樁長，建立橋梁樁基的樁-土幾何模型，如圖2所示。單元劃分采用六面體八結點的實體單元，把實體離散成有限元單元時，盡可能加密橋梁樁基及樁周土單元，由近到遠、由密到疏地過渡，如圖3所示。

模型計算參數(shù)根據(jù)地質勘察資料及相關規(guī)范取值，見表1。

2.2 數(shù)值模型方案

采用不同的豎向荷載分級加載，分析深厚軟基區(qū)橋梁樁基礎的豎向承載特性，見表2。

2.3 計算結果分析

2.3.1 軟土厚度變化對樁基豎向承載特性的影響

通過在樁頂逐級施加荷載，得到樁長30 m、樁徑1.0 m時不同軟土厚度下樁基礎的P-S(樁頂施加荷載-樁頂豎向位移)曲線，如圖4所示。

圖2 樁-土模型

圖3 有限元分析模型

表1 有限元分析模型的材料參數(shù)

表2 計算工況

圖4 不同軟土厚度的樁基P-S曲線

由圖4可見：在每級所加荷載作用下，樁頂?shù)某两盗烤闯^前一級沉降量的5倍，軟土厚度H變化時的樁基P-S曲線基本為緩變型，無明顯拐點；在相同樁頂豎向荷載作用下，樁頂位移隨軟土厚度的增大而增大；當軟土厚度超過30 m(樁端位于軟土層中)，樁基P-S曲線的變化規(guī)律相同。

取樁頂位移為40 mm對應的承載力作為樁基極限承載力，按式(1)計算樁基極限承載力隨軟土厚度變化的規(guī)律，結果如圖5所示。

Δ1=(PH-P0)/P0

(1)

式中：Δ1為軟土厚度變化時極限承載力的變化幅度；PH為軟土厚度為H(H≥0 m)時樁基的豎向極限承載力；P0為軟土厚度為0時樁基的豎向極限承載力。

圖5 不同軟土厚度時的樁基豎向極限承載力變化規(guī)律

由圖5可見，隨著軟土厚度的增大，樁基豎向極限承載力逐漸減小，軟土厚度超過樁長時，樁基豎向極限承載力減小幅度變小。軟土厚度分別為5、10、15、20、25、30、35、40、45 m時，樁基豎向極限承載力較無軟土時樁基豎向極限承載力(7 598 kN)分別降低了14.3%、27.2%、40.9%、54.4%、68.1%、85.1%、87.4%、87.4%和87.4%。樁基承載力達到極限值所對應的樁側阻力與樁端阻力的分配情況如圖6所示。

圖6 不同軟土厚度時的樁端阻力和樁側阻力

由圖6可見：軟土厚度小于30 m時，隨著軟土厚度的增大，樁端阻力逐漸增大，同時樁端阻力占極限承載力的比重亦逐漸增大；軟土厚度大于30 m時，隨著軟土厚度的增大，樁端阻力逐漸減小，同時樁端阻力占極限承載力的比重亦逐漸減小。隨著軟土厚度的增大，樁側阻力降低趨勢顯著；軟土厚度小于30 m時，樁側阻力占極限承載力的比重隨著軟土厚度的增大逐漸減??；軟土厚度大于30 m時，樁側阻力占極限承載力的比重隨著軟土厚度增大而增大。這說明樁基未穿越軟土層時，樁基承載力顯著減小，且樁基承載力以樁側阻力為主。

2.3.2 軟土厚度與樁長變化對樁基豎向承載特性的影響

通過在樁頂逐級施加荷載可得到樁徑為1.0 m時不同軟土厚度與樁長下樁基豎向極限承載力的變化規(guī)律。取樁頂位移40 mm對應的承載力作為樁基極限承載力，按式(2)計算樁基極限承載力隨軟土厚度與樁長的變化規(guī)律，結果如圖7、8所示。

Δ2=(P1-P2)/P2

(2)

式中：Δ2為軟土厚度與樁長變化時極限承載力的變化幅度；P1為軟土厚度與樁長變化時的極限承載力；P2為軟土厚度與樁長為10 m時的極限承載力。

圖7 不同軟土厚度與樁長的樁基豎向極限承載力的變化規(guī)律

圖8 不同軟土厚度與樁長的極限承載力變化幅度的變化規(guī)律

由圖7、8可見，樁基豎向極限承載力隨樁長的增大而增大，增大幅度與樁端相對于軟土層的位置有關。樁端未穿越軟土層時，樁基豎向極限承載力隨樁長的增大幅度較小；而樁端穿越軟土層時，其增大幅度較大。以軟土厚度為30 m為例，樁長分別為20、30、40、50 m時的樁基豎向極限承載力分別為1 467、2 615、8 252、12 147 kN，較樁長為10 m時的797 kN分別增大了84.0%、227.9%、934.9%和1 423.4%。當樁基承載力達到極限值時，所對應樁側阻力與樁端阻力的分配情況如圖9、10所示。

圖9 不同樁長時的樁端阻力

圖10 不同樁長時的樁側阻力

由圖9、10可看出，樁端阻力隨樁長的變化規(guī)律和樁端與軟土層的相對位置有關，樁基穿越軟土層時的樁端阻力明顯大于未穿越軟土層時的樁端阻力。當樁基未穿越軟土層時，隨著樁長的增大，樁端阻力隨之增大，樁端阻力占極限承載力的比重則隨之減小。當樁基穿越軟土層，且樁長小于40 m時，樁端阻力隨樁長的增大而減??；樁長大于40 m時，樁端阻力隨樁長的增大而增大，但樁端阻力占極限承載力比重則始終隨樁長的增大而減小，表現(xiàn)出超長樁的特性。因此，在深厚軟基區(qū)可將樁長大于40 m的樁基定義為超長樁。

2.3.3 軟土厚度與樁徑變化對樁基豎向承載特性的影響

通過在樁頂逐級施加荷載可得到樁長為30 m時不同軟土厚度與樁徑下樁基豎向極限承載力的變化規(guī)律。取樁頂位移為40 mm時的承載力作為樁基極限承載力，按式(3)計算樁基極限承載力隨軟土厚度與樁徑的變化規(guī)律，結果如圖11、12所示。

Δ3=(P3-P4)/P4

(3)

式中：Δ3為軟土厚度和樁徑變化時極限承載力的變化幅度；P3為軟土厚度和樁徑變化時的極限承載力；P4為軟土厚度和樁徑為0.9 m時的極限承載力。

圖11 不同軟土厚度與樁長的樁基豎向極限承載力變化規(guī)律

圖12 不同軟土厚度與樁長的極限承載力變化幅度變化規(guī)律

由圖11、12可見：當軟土厚度小于30 m、樁基全部穿越軟土時，樁基豎向極限承載力隨樁徑的增大而增大；樁徑大于1.2 m時，樁基豎向極限承載力變化幅度明顯增加，因此樁端位于較硬土層時，增大樁徑可有效提高樁基的豎向極限承載力；軟土厚度大于30 m且樁基全部位于軟土中時，樁徑的變化對樁基豎向極限承載力的影響不大。當樁基承載力達到極限值時，所對應的樁側阻力與樁端阻力分配情況如圖13、14所示。

圖13 不同樁徑時的樁端阻力

圖14 不同樁徑時的樁側阻力

由圖13、14可見：當樁徑不大于1.2 m，隨著樁徑的增大，樁端阻力逐漸增大，且樁端阻力占極限承載力的比重亦逐漸增大；當樁徑大于1.2 m，隨著樁徑的增大，樁端阻力逐漸減小，且樁端阻力所占極限承載力的比重亦逐漸減?。粯抖宋挥谲浲僚c較硬土層交界面時，隨著樁徑的增大，樁端阻力逐漸增大，但樁端阻力占極限承載力的比重在樁徑不大于1.2 m時增大，樁徑大于1.2 m時減?。划敇稄讲淮笥?.2 m，隨著樁徑的增大，樁側阻力逐漸增大，但樁側阻力占極限承載力的比重逐漸減?。划敇稄酱笥?.2 m，隨著樁徑的增大，樁側阻力逐漸增大，且樁側阻力所占極限承載力的比重也逐漸增大。由此看出，當樁徑超過1.2 m時，樁端阻力減小，相應的樁側阻力增大，樁端阻力存在尺寸效應。因此，深厚軟基區(qū)橋梁樁徑大于1.2 m時可定義為大直徑樁。

3 工程建議

(1)軟土厚度對橋梁樁基礎豎向承載特性的影響較大，當軟土厚度超過樁長時，樁基豎向極限承載力降低可達80%以上，且樁基承載力以樁側阻力為主。因此，工程設計時應充分考慮軟土厚度對橋梁樁基礎豎向承載特性的影響，合理選取樁長。

(2)將樁長大于40 m、樁徑大于1.2 m定義為深厚軟基區(qū)超長樁及超大直徑樁，其承載特性顯著區(qū)別于較小樁基。因此，當實體工程中樁長大于40 m、樁徑大于1.2 m時，應專門考慮設計的合理性和安全性。

4 結 語

(1)橋梁樁基豎向極限承載力隨著軟土厚度的增大而減小，以軟土厚度等于樁長為分界點。當軟土厚度小于樁長時，樁基豎向極限承載力降低顯著，但樁端阻力增大，樁側摩阻力減??；軟土厚度超過樁長時，樁基豎向極限承載力降低幅度變緩，樁端阻力及樁側阻力均減小。

(2)當樁基穿越軟土層且樁長大于40 m時，表現(xiàn)出超長樁的特性，將樁長大于40 m的樁基定義為深厚軟基區(qū)超長樁；當樁徑不大于1.2 m，表現(xiàn)出大直徑樁的尺寸效應，故將樁徑大于1.2 m的樁基定義為深厚軟基區(qū)大直徑樁。