基于ABAQUS研究軟土條件下路基填土對橋臺樁基的影響

李克磊，袁有為

（天津市市政工程設計研究院 天津市 300051）

基于ABAQUS研究軟土條件下路基填土對橋臺樁基的影響

李克磊，袁有為

（天津市市政工程設計研究院 天津市 300051）

通過應用有限元軟件ABAQUS建立軟土地基條件下有臺后填土時的三維橋臺群樁基礎模型，分析單樁和樁側(cè)土體豎向相對位移關系、群樁中不同位置樁的樁側(cè)負摩阻力以及填土高度和摩擦系數(shù)對樁側(cè)負摩阻力的影響。研究表明填土高度、摩擦系數(shù)和單樁所處于群樁中的位置都是樁側(cè)負摩阻力產(chǎn)生變化的原因。

軟土地基；臺后填土；群樁基礎；樁側(cè)負摩阻力

在我國沿海地區(qū)，土層中普遍存在著濱海或淺海相的淤泥或淤泥質(zhì)軟土。隨著高等級公路的迅速發(fā)展，有越來越多的橋梁修建在這樣的軟土地基上。在路堤與橋梁的連接段，下臥軟土層在路堤填土的作用下發(fā)生側(cè)移和固結(jié)沉降，對橋臺樁基產(chǎn)生不利影響，主要有［1］：

（1）軟弱土層的固結(jié)沉降大于樁的豎向位移時，使樁基受到向下的負摩阻力，并引起不均勻沉降，影響橋梁使用功能。

（2）軟弱土層被不斷壓縮并被側(cè)向擠出，進而對相鄰的橋臺樁基產(chǎn)生側(cè)向壓力，使樁身撓曲變形，甚至會引起橋臺前移，過大的前移會使背墻、伸縮裝置或梁局部受壓嚴重而破壞。

所以，正確分析樁側(cè)負摩阻力和土對其側(cè)向壓力是至關重要的。雖然樁土相互作用已受到國內(nèi)外工程界的普遍關注，并帶來了許多理論和試驗研究成果［2-5］，但是傳統(tǒng)的現(xiàn)場荷載試驗投入大，周期長，代價較大，所以利用已有的地勘和室內(nèi)試驗資料進行樁土相互作用的仿真分析是值得深入研究的。本文基于有限元軟件ABAQUS，建立三維橋臺群樁基礎模型，研究軟土條件下，路基填土引起的樁側(cè)負摩阻力的變化和分布情況。

1　工程概況

沿海軟土地區(qū)某橋橋臺采用U型橋臺，樁基由10根樁組成，樁徑1.0m，樁長為70m，承臺長21.1m，寬4.6m，臺后填土高3m，橋臺樁基尺寸如圖1、圖2所示。

橋臺處各土層物理力學性質(zhì)指標見表1。

2　有限元計算

2.1有限元模型的建立

采用有限元軟件ABAQUS建立三維橋臺樁基-地基-填土整體模型如圖3所示。地基土順橋向取50m，橫橋向取70m，豎向取100m，采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型；臺后填土、樁基、承臺和橋臺采用各向同性線彈性模型。

將性質(zhì)相近土層進行加權(quán)平均處理，共簡化為四層土，各土層呈勻質(zhì)水平層狀分布，計算參數(shù)如表2所示。

表1　土層物理力學參數(shù)表

表2　模型計算參數(shù)表

地基土體底部約束豎向和側(cè)向位移，土體四周約束側(cè)向位移。臺身以及臺后填土通過生死單元來實現(xiàn)。樁基、土體之間，承臺、土體之間，填土、臺背之間定義接觸對來模擬結(jié)構(gòu)和土的相互作用，接觸摩擦系數(shù)μ=0.2。

2.2分析步驟

（1）計算由地基土體自重產(chǎn)生的初始應力場，導出各個節(jié)點的應力并作為初始應力條件保存成文件。

（2）在原模型基礎上導入初始應力文件，進行初始地應力平衡。

（3）將橋臺單元和臺后填土單元激活，填土堆載過程持續(xù)180d，線性分布于整個分析步。

（4）計算完畢后對結(jié)果進行后處理。

3　計算結(jié)果分析

3.1樁體和樁側(cè)土體豎向相對位移關系分析

圖4是將橋臺樁基各樁進行編號示意圖。以樁8為分析對象，得出樁體與樁側(cè)土體豎向位移關系如圖5所示。

可以看出土體豎向位移從樁頂開始逐漸減小，在距樁頂三十多米處，減小至和樁體幾乎一致，即達到“中性點”位置；三十多米下，土體位移保持和樁體變化一致且略小于樁體。

3.2不同位置處的單樁樁側(cè)負摩阻力比較

以樁1、3、6、8為分析對象，得出各樁樁側(cè)摩阻力隨深度的變化情況如圖6所示。

由圖6可知，樁8側(cè)摩阻力在三十多米處為零，達到“中性點”，和圖5中樁體豎向位移達到和土體位移一致的位置是吻合的。中性點以上是負摩阻力，以下是正摩阻力。比較四根樁的負摩阻力，發(fā)現(xiàn)樁6大于樁1，樁8大于樁3，說明靠近填土的前排樁側(cè)負摩阻力要大于后排樁側(cè)負摩阻力，填土對前排樁的影響更大；也發(fā)現(xiàn)樁6大于樁8，樁1大于樁3，說明邊樁側(cè)負摩阻力要大于中樁側(cè)負摩阻力，填土對邊樁的影響更大。沈珠江院士曾在計算樁側(cè)極限土壓力時提出了土體“繞流”現(xiàn)象［6］。對本橋臺樁基來說，由于前排樁樁周土體產(chǎn)生了“繞流”現(xiàn)象，土體繞過樁身從兩側(cè)向后排樁方向移動，故前排樁的遮攔效應使得后排樁樁前的土體位移減??；相應地，使得后排樁的樁側(cè)摩阻力小于前排樁，中樁的樁側(cè)摩阻力小于邊樁。

將樁側(cè)摩阻力沿樁長積分，即得到樁任意截面處以上摩阻力的合力，如圖7所示。不難看出摩阻力合力的峰值位置和中性點是吻合的。中性點以下摩阻力由負轉(zhuǎn)正，合力逐漸減小，到某一位置處合力由負值變?yōu)檎?，即由下拉力變?yōu)樯贤屏Α?/p>

3.3填土高度對樁側(cè)負摩阻力的影響分析

仍以樁8為分析對象，不同填土高度下的樁側(cè)摩阻力變化情況如圖8所示。圖9是中性點附近的變化曲線局部放大圖。

由圖8、圖9可知，樁側(cè)負摩阻力隨填土高度增加而增大，且中性點、負摩阻力最大值點均隨填土高度的增加而逐漸下移。

3.4摩擦系數(shù)對樁側(cè)負摩阻力的影響分析

仍以樁8為分析對象，不同摩擦系數(shù)下的樁側(cè)摩阻力變化情況如圖10所示。圖11是中性點附近的變化曲線局部放大圖。

由圖10、圖11可知，摩擦系數(shù)增大時，負摩阻力最大值點和中性點均隨之上升，并且不像增大填土高度一樣會使中性點以上所有點的負摩阻力增大，而是負摩阻力最高值點以上的部分呈增大趨勢而最高值點以下的部分呈減小趨勢，三條摩阻力變化曲線在中性點以上出現(xiàn)交錯。

4　結(jié)語

本文應用有限元軟件ABAQUS建立了在軟土地基、有臺后填土條件下的三維橋臺群樁基礎模型，分析了樁基與土體的豎向相對位移關系、不同填土高度和不同摩擦系數(shù)對樁側(cè)負摩阻力的影響，并且比較了群樁之中不同位置樁的樁側(cè)負摩阻力的大小。結(jié)果表明不同填土高度、摩擦系數(shù)下樁側(cè)負摩阻力沿樁身的大小、分布情況以及中性點的位置不同；群樁中不同位置處的單樁樁側(cè)負摩阻力大小也不同；而且樁側(cè)摩阻力的產(chǎn)生、摩阻力由正值到負值的轉(zhuǎn)變和“中性點”的升降變化的直接原因在于樁體和周圍土體之間的相對位移關系。以上所得結(jié)論今后可為此類橋臺樁基的設計與施工提供一定指導。

［1］ 蔡國軍，劉松玉.軟基上橋頭路基填筑對橋臺樁的影響研究綜述［J］.巖石力學與工程學報，2004，23（12）：2072-2077.

［2］ Teh C I，Wong K S.Analysis of downdrag on pile groups［J］. Geotechnique，1995，45（2）：191-207.

［3］ Sangseom J，Sooil K Jean L B.Analysis of downdrag on pile groups by the finite element method［J］.Computers and Geotechnics，1997，21（2）：143-16l.

［4］ 李光熠，汪彬.鋼管樁負摩阻力及水平位移的測定［J］.巖土力學，1988，9（2）：89-97.

［5］ 王建華，陸建飛，沈為平.Blot固結(jié)理論在單樁負摩擦研究中的應用［J］.巖土工程學報，2000，22（5）：590-593.

［6］ 沈珠江.樁的抗滑阻力和抗滑樁的極限設計［J］.巖土工程學報，1992，14（1）：51-56.

Research on the Influence of Embankment Fill on Pile Foundation of Bridge Abutment in Soft Soil Based on ABAQUS

LI Ke-lei，YUAN You-wei
（Tianjin Municipal Engineering Design and Research Institute，Tianjin 300051，China）

The 3D model of bridge abutment and its pile group foundation in soft soil when subjected to embankment fill was built with the finite element software ABAQUS.On this basis，the relationship of vertical displacement between single pile and soil around it，the negative friction on piles at different locations in the pile group and the influence of embankment height and friction coefficient on negative friction on pile were analyzed.It was shown that embankment height，friction coefficient and the location of pile were all reasons of change of negative friction on pile.

Soft soil；Embankment fill；Pile group；Negative friction on pile

U443.21

B

1673-6052（2016）03-0026-04

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.03.009