凍土層上限下移對橋梁樁基軸向承載性能的影響分析

劉 凱

（創輝達設計股份有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

在多年凍土區新建對沉降敏感度較高的橋梁時，樁基是首選的基礎類型。為減少橋梁樁基受季節性凍融土的不利影響，常將樁基埋入多年凍土層中。此時，樁基的軸向承載力與樁的入土深度有關。當多年凍土區的樁基承受軸向荷載時，設計一般忽略樁端反力的作用，僅由樁側正摩擦力來抵抗軸向荷載。

隨著全球氣候變暖，在人類活動的作用下，多年凍土出現退化現象，使得凍土層上限有下移的趨勢[1]。現針對多年凍土區的橋梁工程，對不同凍土層上限位置下的樁基軸向承載性能進行分析，探討多年凍土區的橋梁工程隨著凍土層上限下移，其樁基軸向承載性能的變化規律。

1 工程概況

青海某高速公路的一座雙幅中橋，全長66 m，橋寬（2×13）m，國道從橋下正交穿過，上部結構為（3×20）m 預應力混凝土小箱梁，下部結構橋臺為肋板臺，承臺接4 根樁徑1 m 的樁基礎，樁長16 m，橋墩為柱式墩，墩徑1.2 m，樁徑1.4 m，樁長23 m，入土深度22 m，樁身采用C30 混凝土，按摩擦樁設計，橋墩單樁樁頂設計荷載3 550kN，修正后的樁端土承載力特征值為345 kPa。表1 為各土層地質情況一覽表。

表1 各土層地質情況一覽表

2 分析方案

分析項目所在地多年凍土層厚度變化規律可知，在凍土層上限下方1.5 m 范圍內，多年凍土易受氣候變暖和人類活動的影響融化成軟弱層。在外荷載作用下，常出現較大的壓縮變形，對附近橋梁樁基的軸向承載性能有一定的不利影響。據調查，項目沿線多年凍土層上限分布在1.5～4 m 之間，此橋位處的多年凍土層上限為1.5 m，在其它條件不變的前提下，按照上限下移0.5 m，1.5 m 和2.5 m，即凍土上限位置下降到2 m，3 m 和4 m 的方案進行分析。

3 分析模型

采用ANSYS 建立單樁樁土實體模型，樁身、土體均采用SOLID45 單元，樁本構模型為線彈性，土體本構模型為D—P 材料，面—面接觸分析中的剛性目標面為TARGE170 單元，柔性接觸面為CONTA173 單元。因結構具有對稱性，建立1/4 樁土模型進行分析，模型中樁徑1.4 m，樁長23 m，土體半徑3.5 m，土體厚度66 m，指定樁身表面為剛性目標面，對應的土體表面為柔性接觸面，將橋墩單樁樁頂設計荷載等效成均布荷載后與邊界條件一起施加在模型上。表2為混凝土樁的力學參數表，表3 為樁周士體的力學參數表，圖1 為其分析模型。

表2 混凝土樁的力學參數表

表3 樁周土體的力學參數表

圖1 分析模型

4 計算結果及分析

4.1 樁—土沉降量

根據凍土層上限下移方案，分別建立凍土層上限為1.5 m，2 m，3 m 和4 m 的樁土模型，施加邊界條件和均布荷載后，運行模型得到不同凍土層上限位置下樁—土沉降量沿入土深度的變化圖（見圖2）。

從圖2 可知，隨著凍土層上限的下移，樁身頂部的沉降量逐漸增大，相應頂部樁周土體的沉降量也逐漸增大。當凍土層上限從1.5 m 下移至4 m 時，樁身頂部的沉降量從3.42 mm 增大到4.1 mm，相應頂部樁周土體的沉降量從4.02 mm 增大到11.58 mm，樁身頂部的沉降增量遠小于相應頂部樁周土體的沉降增量，此時將在中性點以上位置的樁側產生負摩擦力。根據中性點計算經驗公式[2]，理論中性點位置與地面的距離等于0.8 倍凍土層上限深度(反復凍融取大值)，當凍土層上限從1.5 m 下移至4 m 時，中性點位置理論解從1.2 m 增加到3.2 m，增大了167%，數值解從1.2 m 增加到3.1 m，增大了158%，中性點計算經驗公式得到的理論解偏大，在凍土層上限深度較大的地區使用經驗公式計算中性點位置偏安全。

圖2 不同凍土層上限位置下樁—土沉降量沿入土深度的變化曲線圖

當凍土層上限位置不變時，樁自身沉降量沿入土深度的變化較小，相應的樁周土體沉降量沿入土深度變化較大，在多年凍土地區橋梁樁基施工前，建議其設計在墩位附近填筑一定厚度的粗粒土，用機械碾壓密實，以減少頂部樁周土體的沉降量。

4.2 軸向應力

運行模型得到不同凍土層上限位置下樁身軸向應力沿入土深度的變化圖（見圖3）。

從圖3 可知，不同凍土層上限位置下的樁基軸向應力均沿入土深度先增大再減小，且軸向應力最大值恒定在各凍土層上限位置下樁基的中性點位置處，當凍土層上限從1.5 m 下移至4 m 時，樁基的最大軸向應力從2.42 MPa 增加到2.56 MPa，增大了5.78%，這是因為凍融土的沉降量遠大于樁基的沉降量，在樁基中性點以上位置產生了向下的負摩擦力，負摩擦力直接作用在樁基上，使樁基的軸向應力有所增大。樁基如果按端承樁設計且樁長較短時，應富裕考慮凍土地區凍土層上限下移產生的負摩擦力作用，避免凍土層融化后的軸向應力過大，壓潰樁基混凝土。

圖3 不同凍土層上限位置下軸向應力沿入土深度的變化曲線圖

同時，隨著凍土層上限位置的下移，樁基基底反力稍有增加，當凍土層上限從1.5 m 下移至4 m 時，樁基的基底反力從65 kPa 增加到68 kPa，增加量較小，遠小于修正后的樁端土承載力特征值，樁底土被刺入破壞的可能性較小，無需對樁底地基土進行處理。

4.3 單樁軸向受壓承載力

通過圖3計算出單樁承受的最大軸向壓力，并與現行公路橋涵地基與基礎設計規范計算值進行對比，得到不同凍土層上限位置下單樁軸向受壓承載力的變化圖（見圖4）。

圖4 不同凍土層上限位置下單樁軸向受壓承載力的變化曲線圖

從圖4 可知，隨著凍土層上限的下移，樁身最大軸向壓力逐漸變大，單樁軸向容許承載力的規范計算值和設計采用值均逐漸減小，當凍土層上限從1.5 m下移至4 m 時，樁身最大軸向壓力從3 725.2 kN 增加到3 940.7 kN，增大了5.8%，而單樁軸向容許承載力的規范計算值從4 489.4 kN 減小到4 314.5 kN，降低了3.9%,設計采用值從3 958.3 kN 減小到3 783.5 kN，降低了4.4%。這是因為凍土層上限下移導致樁側原本提供正摩擦力的土層轉為提供負摩擦力，增大了樁身軸向壓力，降低了單樁軸向容許承載力。

當凍土層上限下移至3.2 m 時，樁身最大軸向壓力已達到單樁軸向容許承載力的設計采用值，此時應對凍土層上限位置變化進行分析評估監測，判斷其是否還會繼續下移。如果凍土層上限位置已基本穩定，可不采取相應工程加固措施；如果凍土層上限位置仍存在下移的趨勢，應對橋梁進行限載或在改善樁側中性點位置以上部位的光滑度后置換粗顆粒土，減小負摩擦力作用。

因凍土動力學參數的測定數據與溫度、含水量、圍壓和應變幅等因素有關，且測定數據離散性較大[3]，設計時偏保守地選擇忽略樁端反力的作用，僅由樁側正摩擦力來抵抗軸向荷載，從橋梁建設的全生命周期管理來看，適當的樁基承載能力富裕量在經濟上是可行的且性價比極高。

5 結論

本文依托青海某高速公路上的一座中橋，在不同凍土層上限位置方案下對其樁基軸向承載性能進行數值模擬。通過將模擬計算出的樁基軸向承載性能指標進行對比分析，得到了以下幾點結論：

（1）采用樁土實體有限元分析模型，以面面接觸來模擬樁土間作用的方法是可行的。

（2）隨著凍土層上限的下移，中性點位置也逐漸下移，而樁身頂部與相應頂部樁周土體的沉降量將逐漸增大，且相應頂部樁周土體的沉降速率遠大于樁身頂部的沉降速率。

（3）隨著凍土層上限的下移，樁身最大軸向壓力和樁側總負摩擦力逐漸增大，且樁身軸向壓力最大值恒定在中性點位置處。

（4）隨著凍土層上限的下移，樁基的軸向承載能力安全儲備逐漸降低，當凍土層上限下移至一定位置后，樁基的軸向承載能力將不再滿足設計要求，需對凍土層上限位置變化進行分析評估監測，確定是否需要采取相應的工程加固措施。