負摩阻力作用下高速鐵路樁基礎承載特性研究

陳 林，謝發祥，吉伯海

（河海大學土木與交通學院，江蘇南京 210098）

在正常情況下，豎向外荷載施加于樁頂時，樁身會產生相對于樁周土向下的位移，外部荷載通過樁身與土的相互作用傳遞至樁周土體和樁端土體，此時，樁周土體對樁身產生向上的摩阻力，即正摩阻力。當樁側土體因某種原因而下沉，其沉降量大于樁的沉降量時，樁周土體將對樁身產生向下的摩阻力，即負摩阻力［1－3］。負摩阻力對樁形成下拉荷載，相當于在樁頂荷載之外，又附加了一個分布于樁側表面的荷載，如圖1所示。

圖1 負摩阻力形成的原理Fig.1 Mathematical model for the formation of negative skin friction

近年來，隨著交通事業的發展，同一區域內經常出現橋梁附近另建道路的情況，因此無法避免地在橋梁樁基礎周圍出現堆載。填土堆載對橋梁樁基的影響體現在兩個方面，即堆載引起樁周土的側向受力變形和堆載的附加應力使樁基受到負摩阻力。有關群樁負摩阻力的研究較多。在負摩阻力發生、發展到穩定的各個階段，都取得了許多理論和試驗研究成果，對于影響負摩阻力的諸多因素也做了很多研究［4］。目前的研究成果以及工程經驗認為，堆載自重使橋梁基礎周圍土產生沉降，從而對樁基產生一定的負摩阻力，進而降低樁的承載力［5］。盡管堆載導致樁基承載力降低的問題越來越引起工程技術人員的重視，但由于樁－土相互作用的復雜性，尤其是當樁周存在堆載后，樁－土的受力特性變得更加復雜而難以分析。因此，實際工程中常出現因堆載導致樁基設計施工不合理而引發樁基承載力不足等問題。

本研究擬依托某高速鐵路橋梁與某高速公路匝道橋相互交叉這一實際工程狀況，根據當地的地質條件和高速公路路基實際的堆載情況，建立樁基礎的三維有限元模型，對不同工況下高速鐵路樁基礎受負摩阻力影響的承載特性進行研究。

1 計算模型

1.1 材料及幾何模型

某高速鐵路橋墩處的地基土為第四系全新統、上更新統河湖相沉積層，由淤泥質土、粘性土、粉土和粉砂組成。通過機動鉆探、靜力觸探、標準貫入試驗及室內試驗等勘察手段，取得了各巖土層物理力學性質指標，具體土層厚度及巖土層的特性和基本承載力指標如圖2所示。

圖2 樁基礎區域土層剖面示意Fig.2 Geotechnical soil profile at the pile foundation area

該高速鐵路橋墩基礎均采用鉆孔灌注樁基礎，樁位處的樁徑為1.5m，承臺以下共有樁10根，樁長62m。承臺和樁的基本尺寸如圖3所示。某高速公路在高鐵樁位處的路基堆土平均高度5.5m，按照均布荷載計算，其荷載重力集度取5.5m×19kN／m3＝104.5kPa。

圖3 承臺和樁的基本尺寸（單位：cm）Fig.3 Basic size of pile cap and piles（unit：cm）

1.2 有限元模型

本研究采用通用有限元軟件ANSYS，建立樁基礎的三維模型［6］。其中：模型承臺采用Shell63單元，根據土層特性，用link8單元建立土體彈簧，以模擬樁－土間的相互作用。承臺的樁基礎模型如圖4所示。模型全部節點數為6 885個，單元數共為6 778個，其中梁單元1 250個，彈簧單元3 760個，板殼單元1 768個。

Mohr－Coulomb準則作為一種巖土工程中常用的屈服準則，能較好地描述巖土材料的強度特性和破壞行為［7］，因此，被廣泛應用于巖土工程計算、設計和三維有限元數值模擬中［8］。作者在研究考慮負摩阻力的高速鐵路樁基礎承載力時，采用Mohr－Coulomb模型作為場地土體的本構模型，土體的力學指標采用實際測試得到的結果。

圖4 高鐵承臺和樁基有限元模型Fig.4 Finite element model of the high－speed railway bridge pile cap and pile foundation

土對樁的彈性支撐作用分為3種：水平方向、豎直方向和樁端部的支撐作用（樁側水平和豎向彈簧可以受拉、壓作用，而樁端部彈簧只能受壓，不能受拉）。不同深度的土對樁的作用通過水平穩定系數Wh表示，采用文克爾模型的解析形式描述。樁－土作用采用的彈簧均為雙線性模型。樁－土耦合作用的彈簧單元如圖5所示。

2 計算工況

根據相關資料，高速公路路基的施工時間晚于高鐵樁基施工的。因此，在建立模型計算過程中，假定：①僅將路基作為一種荷載作用于原狀土之上而不考慮路基受到高鐵的各種影響，為安全計，將路基荷載均布在承臺的原狀地基上而不考慮基底附加應力折減。②不考慮地基對承臺的支撐作用。③不考慮地基的降水和固結作用。④考慮到高速公路針對高鐵的具體情況安裝了SS級防撞護欄并作了路基加固處理，模型中不考慮汽車的撞擊力作用。

圖5 模型采用的樁土作用彈簧簡圖Fig.5 Springs of the pile－soil interaction

作者計算分析了2種工況：①考慮路基荷載作用下高鐵樁基礎的受力情況；②考慮高鐵不利荷載組合時高鐵樁基礎的受力情況。

3 計算結果與分析

3.1 路基荷載單獨作用對高鐵樁基礎的受力影響

路基荷載單獨作用時，樁基礎所受的豎向荷載最小，而該工況下高速公路的堆載作用可能使路基下沉，導致樁基相對于路基向上運動，從而產生負摩阻力。為此，對高鐵樁基礎的受力情況進行了分析。路基荷載單獨作用時考慮負摩阻力效應對高鐵樁基礎受力影響的部分計算結果分別如圖6～9所示。

同樣，可以計算出該工況下不考慮負摩阻力效應時的各計算值，計算結果見表1。

圖6 樁基礎應力分布（單位：N／m2）Fig.6 Stress distribution of the pile foundation（unit：N／m2）

圖7 樁側土對樁基的豎向摩阻力（單位：N）Fig.7 Vertical frictional resistance between the pile foundation and the pile side soil（unit：N）

圖8 樁基底部土對樁基的支撐力（單位：N）Fig.8 Holding power of the pile foundation provided by the bottom soil（unit：N）

圖9 樁基礎相對于土體的豎向位移（單位：m）Fig.9 Vertical displacement between the pile foundation and the soil（unit：m）

從計算結果可以看出，僅在高速公路路基堆土荷載作用下，考慮負摩阻力時，樁基礎的豎向位移為6.9mm，相對于不考慮負摩阻力時的豎向位移增加了約43.7%，滿足鐵路規范要求［9］。樁體的最大軸力為1 890kN，相對于不考慮負摩阻力時樁體的最大軸力增加了約56.2%，滿足地基承載力要求。同時，考慮負摩阻力時，樁基出現拉應力，樁基的最大壓應力、樁側豎向最大摩阻力及樁底土最大支撐力均有所增加。

3.2 高鐵不利荷載組合對高鐵樁基礎的受力影響

實際上高速鐵路的樁基礎在承臺施工以后立即進行墩柱和上部結構施工，同時高速鐵路橋梁運營后將承受車輛荷載的作用，因此，對設計者提供的不同荷載組合下的墩底荷載分量（共29組）進行計算?，F結合高速公路路基堆載和結構重力作用，驗算在不同荷載組合作用下樁基礎的側摩阻力、端部承載力以及樁身的受力情況。

鐵路荷載各種工況組合荷載和各個荷載分量見表2（本研究只列出前10組）。

對每一個工況所對應的荷載進行了考慮樁基礎負摩阻力效應和不考慮樁基礎負摩阻力效應的計算。在各個荷載組合下，考慮和不考慮負摩阻力時的結構分析結果如圖10所示?？紤]負摩阻力后不同計算結果的增量如圖11所示。

從圖11中可以看出，不同工況下結構響應的計算結果增量比較均勻，沒有出現計算結果的突變，這是由于考慮了負摩阻力后，結構（樁土以及樁土界面）仍然處于線性階段，樁體側壁以及樁底與土基之間沒有出現大變形而導致計算結果突變。

在高速鐵路最不利荷載組合的荷載、重力和高速公路路基堆土荷載作用下，考慮負摩阻效應后的樁基礎最大豎向位移為14.9mm，相對于不考慮負摩阻力時樁基礎的最大豎向位移增加了約17%，樁底土的最大支撐力為139.5kN，相對于不考慮負摩阻力時樁底土的最大支撐力增加了約24%，樁側摩阻力增加了約25%，樁體最大軸力和最大壓應力均有所增加，但不明顯。

表1 計算結果匯總Table 1 Calculation results

表2 高速鐵路不同荷載組合下的墩底荷載分量Table 2 Components of pier bottom loads under different load combination of high－speed railway

圖10 結構分析結果Fig.10 Structural analysis results

圖11 考慮負摩阻力時計算結果的增量Fig.11 Added values of calculation results considering negative skin friction

樁基礎在考慮上部不利荷載組合作用時，考慮和不考慮負摩阻力效應時的拉應力都是負值，即表明樁體在該種狀態下沒有產生拉應力。并且由于拉應力計算結果的增加以及樁土相對位移為2.2mm，依據Jeong［10］的研究可以推測，當路基荷載增加到某一程度時，樁體有出現拉應力的趨勢。同時，計算結果表明：樁基礎豎向位移和樁體最大軸力的增加幅度均比路基荷載單獨作用時的小，樁底土最大支撐力和樁側摩阻力的增加幅度均比路基荷載單獨作用時的大，這是由于附加的軸向荷載作用使得樁基礎相對于土層向下位移變大，導致樁基礎負摩阻力效應的降低。

4 結論

通過建立樁土有限元模型，結合不同荷載狀況，研究了負摩阻力作用下高速鐵路樁基礎承載性狀的變化，得到的結論為：

1）高鐵樁基礎考慮由堆載產生的負摩阻力效應后，將使樁基礎的承載特性發生變化，具體表現為不考慮樁基礎上部荷載時，樁基礎的豎向位移顯著增加，同時樁體出現拉應力。

2）考慮高鐵樁基礎上部荷載后，將使得樁基礎相對于土層向下運動，樁基礎負摩阻力效應降低，樁體在該種狀態下沒有產生拉應力。但隨著路基荷載增加，拉應力有出現的趨勢。

3）考慮高鐵樁基礎上部荷載后，樁基礎負摩阻力效應降低，樁基礎的豎向位移和樁體的最大軸力較不考慮上部荷載時的增加幅度均減小。

4）在本研究的荷載工況下，考慮負摩阻力后，結構（樁土以及樁土界面）仍然處于線性階段，樁體側壁以及樁底與土基之間沒有出現大變形。

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