地表堆載對臨近橋梁群樁受力和位移影響分析

馮 超，趙 鵬

(新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院 烏魯木齊市 830000)

0 引言

工程中經常會遇到土方臨時堆放情況，不合理地設計土方堆放對于臨近橋梁樁基安全具有較為重要的影響，因此，工程師們對此問題高度重視。近年來，國內一些學者對此進行了研究，主要有：趙偉封、黃清等[1-2]基于Terzaghi地基承載力公式，將地表的帶狀堆載等效為埋深為零的條形基礎荷載，根據承載力計算公式中地基土整體剪切破壞時的滑動面形狀，采用極限平衡法得到保證地基穩定的最大堆載高度以及帶狀堆載主要影響區的計算公式；王國粹等[3]提出了分析堆載對鄰近樁基影響的簡化彈性地基梁模型,并針對實際工程，與二維有限元計算結果進行對比，分析了該方法的可行性，討論了地基反力系數對計算結果的影響，確定了地基反力系數的取值方法；王建華、孫茂強等[4-5]利用Biot固結理論和積分方程方法研究了表面有堆載的群樁負摩擦問題，根據基本解得出了群樁在圓形均布載荷作用下在時間域內的第二類Fredholm積分方程組，運用Laplace變換對上述積分方程組進行簡化，求解上述積分方程組并進行相應的數值逆變換就可得出群樁在表面圓形均布載荷作用下的變形、軸力、孔壓和樁側摩阻力隨時間的變化情況；馬學寧、江洎洧等[6-7]為研究圍載和單側邊載作用下群樁中不同位置樁基的受力差異，以3×3群樁基礎為研究對象，進行圍載和單側邊載作用下的模型試驗，分析了不同位置樁基軸力、側摩阻力、中性點位置和基樁承載力安全系數等的變化規律及差異。本文主要以某地區地表堆載臨近橋梁群樁樁基為例，采用有限元軟件ABAQUS建立數值模型，重點分析了堆載對樁體的位移、軸力和樁側摩阻力的影響，研究結果可為類似工程設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某高架橋為群樁基礎，由于臨近土方臨時堆放于此，可能會對樁基產生一定的影響。橋梁樁基直徑為1.0m，呈3×3分布，樁間距為3m，樁長58m，承臺長和寬均為8.0m，高度為2.0m，堆載采用通長布置。根據現場工程地質條件土體從上至下分為四層，依次為軟黏土、粉質黏土、粉砂和粉土，深度依次為18.0m、24.0m、16.5m和41.5m。如圖1(a)所示，為群樁與堆載關系示意圖，圖1(b)為樁基分布平面圖，為了便于分析研究，對樁基進行了編號，由于對稱性，上側一排和最下側一排序號相同。設計堆載寬度為8m，距離群樁承臺邊緣5m，高度為5m。根據單樁設計承載力，群樁承臺頂荷載取39250kN，計算荷載采用均布壓力，取485kPa。

圖1 堆載與樁基位置關系示意圖

2 數值建模

如圖2所示，為了分析堆載作用下橋梁群樁樁基是否受到較大影響，采用有限元軟件ABAQUS建立的數值模型，考慮到模型的邊界效應，模型的長寬高分別取60m、30m和100m，樁體和土體均采用實體單元模擬，除上邊界以外，其他邊界均進行位移約束，用來模擬半無限體，土體采用摩爾庫倫本構模型。樁基、承臺以及堆載尺寸按照本文上一節交代內容模擬。如表1所示，給出了土體以及堆載土的彈性模量、摩擦角、重度、泊松比以及粘聚力等。混凝土樁基采用的線彈性模型，彈性模量取32GPa，密度取2600kg/m3，泊松比取0.2。

圖2 數值模型圖

表1 土體的物理力學參數

3 數值結果分析

3.1 堆載作用下的模型變形分析

如圖3所示，為設計堆載距離作用下模型整體豎向位移云圖。由圖可知，在堆載作用下，會使周圍土體發生明顯的沉降，并影響到樁基自身，此外由于樁土之間是相互作用，土體發生變形勢必會影響樁基發生變位，因此，堆載會對樁基的安全產生不利影響。

圖3 堆載作用下模型整體豎向位移云圖

3.2 堆載作用下的樁體受力和位移分析

為了更為深入地分析設計堆載對群樁的影響，以樁身軸力、樁側摩阻力以及樁身沉降作為分析對象，對堆載作用下1#～6#樁進行全面的監測，具體分析如下。

3.2.1樁身軸力

軸力是反映樁基安全狀態的重要參數，如圖4所示，給出了堆載作用下群樁樁身的軸力曲線。由圖可知，樁身軸力呈現出沿深度向下軸力先增大后減小的趨勢，樁底軸力大小基本相同。其中1#樁最大軸力為6.92×103kN，最大軸力發生在樁身埋深17m左右；2#樁最大軸力為5.70×103kN，最大軸力發生在樁身埋深16m左右；3#樁最大軸力為4.84×103kN，最大軸力發生在樁身埋深15m左右；4#樁最大軸力為3.86×103kN，最大軸力發生在樁身埋深15m左右；5#樁最大軸力為5.52×103kN，最大軸力發生在樁身埋深5m左右；6#樁最大軸力為4.58×103kN，最大軸力發生在樁身埋深5m左右。綜上可知，1#樁、3#樁和5#樁的整體軸力要分別對應大于2#樁、4#樁和6#樁的軸力，即堆載對承臺邊緣一排樁基的影響要大于中間的一排樁基；同一水平方向上，1#樁和2#樁軸力最大，其次是5#樁和6#樁，最小的是3#樁和4#樁，說明角樁和邊樁承擔大部分樁頂荷載，中心樁分擔的荷載比較小，堆載對中心樁軸力影響最小。

圖4 堆載作用下樁身軸力曲線

3.2.2樁側摩阻力

如圖5所示，給出了堆載作用下群樁樁身的樁側摩阻力曲線。由圖可知，不同樁呈現出不同的變化規律，1#樁和2#樁的變化規律相同，在樁深0～17m范圍內為負摩阻力，在深度8m處負摩阻力最大，最大值分別為-19.7kPa和-17.7kPa，隨著樁深的增大，樁側摩阻力由負到正過渡，且隨著深度的增加，逐漸增大，最大值分別為69.1kPa和59.8kPa；3#樁和4#樁的變化規律相同，即沿著樁深增加，樁體的正摩阻力增大，且在土層分界面產生一定大小的波動，最終在樁端附近達到最大值，最大值分別為57.1kPa和50.6kPa；5#樁和6#樁的變化規律相同，沿樁深產生正摩阻力，且沿著樁深增加，樁體的正摩阻力逐漸增大，最大值分別為61.3kPa和56.6kPa。綜上可知，僅從側摩阻力方面來說，同一豎列上，靠近堆載的1#樁和2#樁所受影響最大，其次是5#樁和6#樁，最小的是3#樁和4#樁；同一水平行方向上，堆載對邊緣樁的影響大于中間行的樁基，說明堆載對角樁側影響最大，邊樁次之，對中心樁影響最小。

圖5 堆載作用下樁側摩阻力曲線

3.2.3樁身沉降

如圖6所示，給出了堆載作用下群樁樁身的沉降曲線。由圖可知，不同樁均呈現出樁頂沉降值最大，隨著深度的增大，樁底沉降最小。對于1#樁和2#樁，樁頂沉降分別為-57.6mm和-57.8mm，樁底沉降分別為-48.9mm和-50.6mm；對于3#樁和4#樁，樁頂沉降分別為-56.9mm和-57.0mm，樁底沉降分別為-50.6mm和-52.6mm；對于5#樁和6#樁，樁頂沉降分別為-56.1mm和-56.2mm，樁底沉降分別為-48.9mm和-50.6mm。即靠近堆載的樁頂沉降最大，遠離堆載的樁頂沉降最小。此外，沿埋深方向1#樁、3#樁和5#樁的整體沉降速率要大于對應的2#樁、4#樁和6#樁的沉降速率。綜上可知，僅從樁身沉降方面來說，單側堆載使得靠近堆載側的樁頂豎向沉降最大，遠離堆載側的樁頂豎向沉降最小，且堆載對角樁的整體影響最大，邊樁次之，中心樁最小。

圖6 堆載作用下樁身沉降曲線

4 結論

主要以某地區地表堆載臨近橋梁群樁樁基為例，采用有限元軟件ABAQUS建立數值模型，重點分析了堆載對樁體的位移、軸力和樁側摩阻力的影響，得到以下結論：

(1)堆載作用下，使得周圍土體發生明顯的沉降，加之樁土之間的相互作用，會對樁基的安全產生不利影響。

(2)1#樁、3#樁和5#樁的整體軸力要分別對應大于2#樁、4#樁和6#樁的軸力，即堆載對承臺邊緣一排樁基的影響要大于中間的一排樁基；同一水平方向上，1#樁和2#樁軸力最大，其次是5#樁和6#樁，最小的是3#樁和4#樁，說明角樁和邊樁承擔大部分樁頂荷載，中心樁分擔的荷載比較小，堆載對中心樁軸力影響最小。

(3)僅從側摩阻力方面來說，同一豎列上，靠近堆載的1#樁和2#樁所受影響最大，其次是5#樁和6#樁，最小的是3#樁和4#樁；同一水平行方向上，堆載對邊緣樁的影響大于中間行的樁基，說明堆載對角樁側影響最大，邊樁次之，對中心樁影響最小。

(4)僅從樁身沉降方面來說，單側堆載使得靠近堆載側的樁頂豎向沉降最大，遠離堆載側的樁頂豎向沉降最小，且堆載對角樁的整體影響最大，邊樁次之，中心樁最小。