堆載作用下樁基受力特性分析

王 軍，馬學(xué)寧

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

高速鐵路采取“以橋代路”穿越城鎮(zhèn)、郊區(qū)、工業(yè)區(qū)和平原時，由于大量工程棄土和生活垃圾的隨意堆放，往往造成鐵路樁基附近大面積堆載。

堆載會使樁側(cè)土體產(chǎn)生壓縮固結(jié)沉降，樁側(cè)會產(chǎn)生向下的負(fù)摩阻力，引起樁身沉降。此外，堆載還會對樁基產(chǎn)生附加水平應(yīng)力，造成樁頂傾斜、轉(zhuǎn)動，降低了樁身承載力[1]。因此，需要對堆載距離和堆載高度進(jìn)行合理控制。研究地表堆載作用下橋梁樁基的受力特性有重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外對堆載下樁基受力特性進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[2]運用ABAQUS軟件分析了固結(jié)土體中單樁的受力特性，得出樁端位置、承載層剛度、堆載大小和樁頂荷載決定了樁下拉荷載的結(jié)論。文獻(xiàn)[3]研究了不同樁間距、不同布樁形式和不同地面荷載等級下穿越密實砂層和軟黏土層的端承型群樁的土層沉降和樁身負(fù)摩阻力變化。文獻(xiàn)[4]通過三維數(shù)值模型分別研究考慮和不考慮樁土相對滑移時樁的負(fù)摩阻力響應(yīng)，并將所得結(jié)果進(jìn)行對比。文獻(xiàn)[5]將堆載距離和軟土層厚度的比值作為控制變量，分析橋墩水平位移和樁身彎矩隨堆載距離的變化。文獻(xiàn)[6]建立了有限差分模型，在堆載條件、樁身剛度和土層分布不同的情況下，得出軟土地基樁、土共同作用機(jī)理。文獻(xiàn)[7]建立墩臺、基礎(chǔ)及地基土相互作用有限元模型，分別假設(shè)地基土為彈性和理想彈塑性，分析了橋梁墩臺在大面積單側(cè)堆載下的受力變形特性。文獻(xiàn)[8]采用FLAC 3D建立樁土數(shù)值模型，得出堆載和樁頂荷載組合作用下樁側(cè)摩阻力、樁體軸力和中性點位置分布規(guī)律。文獻(xiàn)[9]采用有限元軟件對地表堆載作用下樁-土相互作用進(jìn)行了分析,討論土體彈性模量和泊松比取值不同的情況下樁基側(cè)向變形的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[10]建立了樁土有限元三維模型，對樁頂豎向荷載下樁土作用進(jìn)行分析，得出不同樁長、樁距和樁數(shù)的群樁基礎(chǔ)沉降規(guī)律。文獻(xiàn)[11]研究了鄰近堆載作用下排樁的負(fù)摩擦力特性，分析了在不同排樁間距以及堆載與排樁之間距離的變化對樁身負(fù)摩擦力和樁身軸力的影響。文獻(xiàn)[12]通過單樁模型試驗，分析樁側(cè)有堆載條件下當(dāng)?shù)鼗梁首兓瘯r，樁側(cè)摩阻力、樁端阻力以及不同土層沉降量的變化規(guī)律。

本文結(jié)合鄭徐高速鐵路動車走行線D4特大橋樁側(cè)堆載實例，采用ABAQUS建立樁土相互作用有限元模型，得出在地表堆載作用下樁側(cè)摩阻力和樁身軸力的分布規(guī)律，以及樁頂豎向沉降規(guī)律。

1 工程概況

該鐵路特大橋位于黃淮河沖積平原區(qū)，地勢局部略有起伏，總體平緩開闊。橋梁的1#—13#樁基穿過平原地區(qū)，1#樁基靠近橋臺(沿鄭州方向)，6#—8#樁基位于兩橋臺中間，地表堆載主要集中在6#—8#樁基附近，7#樁基樁側(cè)堆載面積較大，現(xiàn)取7#樁基進(jìn)行分析。7#樁基的地質(zhì)構(gòu)造如下：①粉砂，稍松，褐黃色，層厚4.2 m，承載力基本值100 kPa；②細(xì)砂，稍密，褐黃色，層厚10.7 m，承載力基本值125 kPa；③細(xì)砂，中密，褐黃色，層厚9.3 m，承載力基本值160 kPa；④細(xì)砂，密實，灰黃色，層厚8.4 m，承載力基本值250 kPa；⑤粉土，密實，褐灰色，層厚6.1 m，承載力基本值160 kPa；⑥粉質(zhì)黏土，硬塑，黃褐色，層厚13.9 m，承載力基本值150 kPa。

線路一側(cè)地表堆載與樁基的距離為d。根據(jù)現(xiàn)場堆土情況，將堆土面積等效簡化為長10 m，寬5 m的矩形，平行于線路方向。為研究樁基在側(cè)向堆載下的受力特性，可以簡化計算，故本文樁基采用單樁形式，樁長30 m，樁徑1 m。堆載平面如圖1所示。

圖1 樁側(cè)堆載平面示意(單位：m)

2 有限元模型

運用ABAQUS軟件建立三維數(shù)值分析模型。計算模型長度取50 m，寬度取30 m，高度取50 m。自樁頂向下土層分為6層，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，將土體視為理想彈塑性體，初始應(yīng)力場為重力場。土的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層的物理力學(xué)參數(shù)

基樁采用單樁形式，樁徑1 m，樁長30 m，采用C30混凝土灌注樁，彈性模量為 30 GPa，泊松比為0.2，密度為 2 500 kg/m3。

為了模擬真實的樁土位移，樁土之間設(shè)置接觸面，采用庫倫摩擦模型，摩擦因數(shù)取0.4。樁-土之間的接觸采用主-從接觸算法，樁體表面設(shè)為主控面，土體表面設(shè)為從屬面，樁土接觸面相對位移設(shè)為小滑移[13]。

在樁頂施加豎向荷載400 kN，堆載面積取10 m×5 m，堆載等級分別取20，40，60和80 kPa，堆載距離d分別取2，5，8和12 m。

3 有限元模型驗證

為了驗證本文所建ABAQUS有限元模型的可靠性，選取文獻(xiàn)[12]采用的模型試驗，根據(jù)模型試驗建立相應(yīng)的有限元模型，將數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。

模型試驗中，模型箱內(nèi)凈空尺寸為150 cm×70 cm×100 cm。模型底部采用20 cm厚，粒徑在5～10 mm 范圍內(nèi)的碎石持力層模擬摩擦端承樁，樁周土體為75 cm 厚的粉土。模型箱壁為鋼板，荷載板采用長×寬×厚為95 cm×69 cm×20 cm的鋼板。

根據(jù)試驗?zāi)Ｐ徒⑾鄳?yīng)的有限元模型，模型尺寸為150 cm×70 cm×100 cm，樁長78 cm，樁徑15 cm，加荷區(qū)域為95 cm×60 cm，土層布置為上層75 cm厚粉土，底部為20 cm厚碎石。樁體采用彈性模型，土體采用摩爾-庫倫模型，樁體、粉土的物理力學(xué)參數(shù)分別見表2、表3。樁頂荷載為70 kN，堆載等級分別取40，80 kPa。

表2 樁體參數(shù)取值

表3 土體參數(shù)取值

有限元模型計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果對比見圖2,二者基本吻合，間接證明了本文所建立有限元模型的合理性。

圖2 模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比

4 有限元計算結(jié)果分析

4.1 樁基位移

在地表堆載作用下樁基的位移見圖3(取模型一半)。可知：靠近堆載一側(cè)樁基變形較大，隨著樁埋深增加，堆載對樁基的影響減小。

圖3 樁基位移(單位：m)

4.2 樁側(cè)摩阻力

堆載距樁邊緣5 m時，不同堆載等級下樁側(cè)摩阻力見圖4?？芍簶秱?cè)摩阻力在0.43～0.57倍樁長內(nèi)為負(fù)值，這是由于堆載使樁周土體發(fā)生沉降，給樁體向下的摩阻力。樁側(cè)負(fù)摩阻力先增大后減小，在0.29倍樁長附近達(dá)到最大值，隨著樁長增加摩阻力逐漸過渡到正值，在樁端附近達(dá)到最大值，與文獻(xiàn)[14]的試驗規(guī)律一致。堆載等級越大樁側(cè)負(fù)摩阻力越大，最大負(fù)摩阻力都出現(xiàn)在距樁頂8.57 m處。中性點位置出現(xiàn)在0.43～0.57倍樁長位置處，且隨著堆載等級的增加而下移。

在堆載等級60 kPa時，不同堆載距離下樁側(cè)摩阻力見圖5?？芍弘S著堆載距離的增加，最大負(fù)摩阻力出現(xiàn)的位置在下移，堆載距離越遠(yuǎn)最大負(fù)摩阻力值越小;當(dāng)堆載距離為12 m時，最大負(fù)摩阻力為8.13 kPa，明顯小于堆載距離為2 m時的16.07 kPa;堆載距離大于5 m(即5倍樁徑)時樁側(cè)摩阻力明顯減小，說明增加堆載距離可以有效減小樁側(cè)負(fù)摩阻力;中性點位置出現(xiàn)在0.45～0.57倍樁長位置處，堆載距離對中性點位置影響較小。

圖4 不同堆載等級下樁側(cè)摩阻力圖5 不同堆載距離下樁側(cè)摩阻力

4.3 樁身軸力

堆載距樁邊緣5 m時，不同堆載等級下樁身軸力見圖6?？芍簶渡磔S力沿樁長先增大后減小，與文獻(xiàn)[15]的試驗規(guī)律一致，且堆載等級越大，樁身軸力越大。樁身軸力在0.52倍樁長附近達(dá)到最大，在樁身軸力達(dá)到最大值位置處樁側(cè)摩阻力接近于0。

在堆載等級60 kPa時，不同堆載距離下的樁身軸力見圖7?？芍簶渡磔S力隨著堆載距離的增加而減小，軸力最大位置主要分布在15～20 m樁長內(nèi)，當(dāng)堆載距離為2 m時軸力最大值為900.72 kN。在堆載距離在2～5 m內(nèi)變化時軸力有明顯減小，而從5 m 增加到12 m時軸力變化較小。當(dāng)堆載距離為12 m 時樁身軸力已經(jīng)很小，因此堆載距離小于5 m(即5倍樁徑)時會引起較大的樁身軸力。

圖6 不同堆載等級下樁身軸力圖7 不同堆載距離下樁身軸力

4.4 樁頂豎向位移

堆載距樁邊緣5 m時不同堆載等級下及在堆載等級60 kPa時不同堆載距離下樁頂豎向位移見圖8。由圖8(a)可知：在樁頂豎向荷載作用下，樁側(cè)堆載等級越大，樁頂?shù)呢Q向位移越大。由圖8(b)可知：在樁頂豎向荷載作用下，堆載距離越大，樁頂?shù)呢Q向位移越小。

(a)不同堆載等級下(b)不同堆載距離下圖8 不同堆載等級和堆載距離下樁頂豎向位移

綜上所述，降低堆載等級相對于增加堆載距離更能有效減小樁頂豎向位移。

5 結(jié)論

1)樁側(cè)摩阻力在0.43～0.57倍樁長內(nèi)為負(fù)值，側(cè)摩阻力先增加后減小，隨著樁長的增加樁側(cè)摩阻力逐漸過渡到正值。堆載等級越大樁側(cè)負(fù)摩阻力越大，在0.29倍樁長附近達(dá)到最大值。堆載距離越遠(yuǎn)樁側(cè)負(fù)摩阻力越小，并且最大負(fù)摩阻力位置相應(yīng)下移。

2)樁身軸力沿深度方向先增加后減小。堆載等級越大，樁身軸力越大軸力最大值出現(xiàn)在0.52倍樁長附近。樁身軸力隨著堆載距離的增加而減小，堆載距離小于5倍樁徑時會引起較大的樁身軸力。

3)堆載等級越大樁頂豎向位移越大；堆載距離越大樁頂豎向位移越小；降低堆載等級可以有效減小樁頂?shù)呢Q向位移。