基于極限平衡法的樁基偏位機理數值模擬研究

倪潔 陳永輝

摘要：隨著我國經濟發展和城市化進程的加快，基礎設施建設技術日趨成熟，以高架橋、高速鐵路為代表的道路交通發展尤為迅速。在沿海深厚軟土區，橋梁樁基周圍堆載可能導致軟土層中產生貫通滑動面，使樁身受到滑動土體壓力發生偏位。本文利用ABAQUS軟件模擬樁周土體滑動過程中樁身受力分布，研究樁身極限土抗力的分布規律，為偏位樁質量校核提供指導。

關鍵詞：深厚軟基;極限平衡法;數值模擬;樁身受力

中圖分類號：TU 443? ? ?文獻標識碼：A

一、引言

橋梁受力主要依靠橋梁樁基，在深厚軟土區，橋梁樁基深度可達40m，路基堆載可導致軟土層中形成貫通的滑動面，滑動土體對鄰近橋梁樁身施加側壓力，導致樁身撓曲甚至發生彎曲破壞，相關學者對樁土相互作用和樁動力性狀有深入的理論研究。Poulos[1]把樁身劃分為若干等長的小段，假設每個小段上土體反力為常數，系統地研究了水平受荷單樁在彈性土體中的受力性狀。Naylor[2]利用有限元軟件分析了樁身在荷載作用下的位移模式以及樁身受力情況。本文利用ABAQUS軟件建立均質地基中單樁受力模型，研究樁周極限土抗力的變化情況，并采用等效簡化方法獲得極限土抗力分布，為建立樁身受力計算模型奠定基礎。

二、單樁受力模型建立

采用三維有限元模擬樁土體系，模型為深47m的均質土體，土層在x方向滑動，在y方向對稱。x方向地基長40m，滑動土體長30m，滑動面深12m;y方向土體厚10m，樁體為長42m的管樁。選用彈性模型模擬樁體，摩爾庫倫模型模擬樁周軟土。約束土體x向和y向位移，z向不施加約束。對滑動土體施加x正向水平位移荷載后，解除滑動土體兩側x向約束，使上層土體能夠水平滑動，約束樁底各向轉角和位移。

三、單樁受力結果分析

對上層滑動土體左側面分級施加水平向右的位移荷載直至計算不收斂，研究土體滑動距離與樁土間作用力的關系，土體和樁體的材料參數見表1。

從樁土水平位移可得，上層土體中樁身右側以及下層土體中樁身左側均出現樁土分離現象。土體最大位移達6.5m，出現在滑動土體右側無約束面。滑動土層的水平位移平均超過4m，遠大于土體壓縮可形成的水平位移，故可忽略土體壓縮對位移的影響。滑動面以上樁土的差異位移較大，且越接近地表的差異位移越大。

當滑動土體左側面水平位移為5m，樁左、右側面土抗力值以及樁身合力見圖1。滑動土體中樁身左側土體達到極限破壞，土抗力隨深度線性增加，樁身右側與運動土體脫離接觸，土體抗力為0。滑動面以下約4m深度內土體達到極限破壞強度，土抗力隨深度增加而增大，達到558kN/m之后減小。深度4m以下土體未破壞，對樁身的壓力隨著與樁協調變形的減小而減小。樁底部土出現正向土抗力，根據樁身的水平位移判斷該深度樁身有水平負向位移，產生“S”型彎曲，彎曲撓度小于2cm。

根據不同位移荷載下樁身受力模擬結果，得到土抗力與土體滑動距離關系，見圖2。滑動土體和滑動面以下4m深度內土體對樁身的壓力均隨著位移的增加趨于恒定值，該值即為極限樁周土可提供的極限土抗力值。滑動土體移動距離在4m～5m之間時，樁身的受力分布變化較小，樁身受力平衡，不產生新形變。

將圖2模型深度24m以下的土抗力移到滑動面以上土體中，設置為作用深度為12m的均布荷載。并對簡化后的模型進行線性擬合，得到土抗力Pu隨深度x的變化規律。當運動土體位移較大、樁土之間出現差異位移時，與樁接觸部分的運動土體達到極限強度，其對樁身作用力Pu為與深度x有關、與水平位移大小無關的恒定值，可表示為：

四、本章小結

通過ABAQUS數值模擬建立滑動軟土層中樁土受力模型，研究了在均質地基中極限土抗力的分布規律，得到以下結論：

（一）深厚軟土樁基區域，軟土滑動導致樁身偏位過程中，滑動面以上樁土出現水平差異位移，位移量遠大于土體壓縮量。滑動面以上樁土的差異位移較大，且越接近地表的差異位移越大。

（二）隨著滑動土體位移增大，土體對樁身的壓力趨于恒定值，樁身受力平衡，不產生新形變。滑動面上下土抗力方向由正變負，此時樁身受力為極限狀態。

（三）樁周土抗力存在極限值，對于既定參數的土體，樁周土對樁身的最大作用力與樁土位移無關，只深度有關。

參考文獻：

[1]Poulos H G， Davis E H. Pile foundation analysis and design[M]. New York： Wiley， 1980.

[2]Naylor D J. Finite element study of embankment loading on Piles[R]. Swansea： University College of Swansea， 1982.

作者簡介：

倪潔，河海大學土木與交通學院，從事地基處理相關研究。