淤積土橋梁樁基承載能力影響參數敏感性分析

于 瑩，郝向煒，余 波，李 鵬，侯 濤

(1.東北林業大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150006；2.中路高科交通檢測檢驗認證公司，北京 100089；3.江蘇方洋物流有限公司，江蘇 連云港 222065；4.中鐵二十局集團第六工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

橋梁樁基礎是工程建設過程中一種常用的地基處理方法，研究樁基礎承載能力特性對于樁基礎設計、布置是十分重要的，由樁基和連接于樁頂的承臺構成[1]。樁基礎通常是處于地下的或水下的，由于地基土性質的不確定性、施工過程的復雜性、技術要求的嚴格性和施工的難度，樁基礎容易出現質量問題[2]。

河流入海口處淤積土層較深，對樁基的承載能力存在著一定程度的影響。同時樁基的尺寸，如樁徑、樁長等也是影響樁基承載能力的因素。2018年王小衛、何玲[3]基于工程實例進行大直徑超長鉆孔灌注樁承載力足尺試驗，分析其豎向極限承載力、樁端及樁身變形特性、樁側阻力與樁端阻力變化規律。試驗結果表明：在豎向荷載的作用下，大直徑超長鉆孔灌注樁屬于摩擦型樁基，承載力主要依靠側摩阻力承擔。2019年劉耀東、聶闖、梅靖宇等[4]按照一定相似比進行了樁頂豎向荷載條件下的超長樁室內模型試驗，并利用有限元軟件分析并討論了超長樁豎向承載力發揮的各種因素，結果表明樁長和樁徑的增加都可以提高超長樁的極限承載力，但同時也會導致樁頂沉降量加大，故對于上部結構沉降量有要求的基礎，樁長的增加需要經過沉降量驗算。2019年劉紅軍、孫鵬鵬、胡瑞庚等[5]研究了在固定環境荷載的情況下，將土體分層，研究不同土質條件下樁基水平承載力的差異，研究表明海床上層土體的強度對樁基水平承載力起關鍵性作用，上軟下硬海床與純軟土海床相比水平承載力大約提高25%，而上硬下軟海床與純軟土海床相比水平承載力約提高3倍。但是目前對于不同環境荷載組合條件下樁基承載力的分析較少，且對于分層土體條件下的樁基承載力研究仍不夠充分。2019年郭中華等[6]對海上淤積區斜拉橋超長樁基承載力進行了自平衡法試驗，成功解決了海上淤積區斜拉橋超長樁基極限承載力的研究問題。2019年袁榛、梁斌等[7]研究了海上淤積區斜拉橋超長樁基礎豎向承載特性，結果表明樁基礎以側摩阻力承載為主，但淤積區樁側摩阻力幾乎不發揮承載作用，超長樁主要依靠較好土層的樁側摩阻力承載，在相同荷載下，樁徑與樁長的增大均會減少樁基的沉降量，但樁徑的改變對沉降的控制效果更明顯。為了使樁基礎滿足安全、經濟、可靠的原則，做一定數量的樁基靜載試驗來確定單樁承載力是有必要的[8-11]。可見關于不同荷載、樁基形式以及荷載作用等條件，不同類型及尺寸的樁基承載性仍有待進一步研究，通過試驗方案比選，最終確定采用自平衡試樁法對入海口處工程樁進行試驗獲得數據[12]。一方面分析樁基承載能力的主要影響因素，另一方面也驗證自平衡試樁法在淤積土地區的可行性[13]。本研究主要對淤積土橋梁樁基的承載能力影響參數進行分析，研究不同樁長、樁徑對樁基軸向力、側摩阻力和極限承載力的影響。

1 工程概況

1.1 工程背景

本研究依托海南省東方市南港河大橋進行分析，該橋上部結構為(35+40+45+40+35)m預應力混凝土現澆連續箱梁，下部結構橋墩采用花瓶式橋墩接承臺樁基礎，橋臺采用肋板式橋臺接承臺樁基礎。其中，橋墩樁基礎樁長27 m，樁徑1.0 m，橋臺樁基礎樁長21 m，樁徑1.2 m，全部采用C35混凝土澆注而成。橋址范圍內地質情況：上部主要為1.0～3.0 m厚的沖積淤積質土，下部主要為10.0～20.0 m厚的粉質黏土及2.0～5.0 m厚的粉細砂。橋梁立面布置圖如圖1(a),(b)所示。

圖1 橋梁立面布置圖(單位：cm)Fig.1 Layout of bridge elevation (unit:cm)

1.2 橋梁樁基地質情況分布

南港河大橋位于海南省東方市板橋鎮，地處入海口地區，地貌特征受海水控制，微地貌發育，多平原。建筑場地的地貌屬于受海水沖擊的淤積地區，深層覆蓋著層厚不均勻的淤積土，由于淤積地區的樁基受力特點不明確，會影響到工程中樁基的承載能力計算[14-15]。故所選試樁位于入海口淤積區層，具體土層分布情況見表1。

表1 橋梁樁基的土層情況Tab.1 Soil layer condition of bridge pile foundation

2 淤積土樁基承載能力參數敏感性分析

使用ABAQUS有限元軟件對樁-土接觸進行模擬分析，對兩根典型工程樁進行模擬分析影響樁基工作性能的重要參數。根據《工程地質手冊》查出試樁的基本參數和現場的工程地質情況見表2，3。

表2 試樁參數Tab.2 Test pile parameters

樁基的承載性能的影響因素包括土體的彈性模量、黏聚力、內摩擦角、泊松比等，樁基的彈性模量、樁長、樁徑等因素也會對樁基的承載能力和沉降產生影響[16-17]。使用ABAQUS建立柱-土接觸有限元模型，模擬自平衡試驗過程，通過特定的方法轉化成傳統靜載法的Q-S曲線，獲得樁基的承載能力。樁體和土體均采用CAX4R單元進行模擬，使用縮減積分方法，考慮沙漏控制，有限元模型如圖2所示。

表3 土層參數Tab.3 Soil parameters

圖2 模型單元Fig.2 Model elements

樁體混凝土等級為C35，土體的應力-應變關系是土體的本構模型中模擬樁-土接觸的最基本參數。在ABAQUS中分析樁和土的相互接觸問題時，通常會選用Mohr-Coulomb屈服準則分析樁-土的共同作用。在Mohr-Coulomb屈服準則中規定，如果作用在土體上某點的剪切應力和土體的抗剪強度相等時，土體就會立刻發生破壞[18]。剪切強度和該面上的正應力成正相關關系，即：

τ=σtanφ+c，

(1)

式中，c為模型中土體給定的黏聚力；σ為模型中土體給定的有效法向應力；φ為模型中土體給定的內摩擦角。

由上述公式可知，土體滑移面上的黏聚力c和土的摩擦阻力共同組成了土體的剪切強度，土體滑移面上的黏聚力c反映了土體的土顆粒間相互結合的性質，土的摩擦阻力與土體剪切面上的有效法向應力成正比，二者的比例系數為tanφ，tanφ可以有效地反映土體的摩阻力。使用Mohr-Coulomb本構模型時，需要輸入正確的模型參數，包括土體的彈性參數和土體的塑性參數。

在樁-土的接觸面上需要建立接觸行為，樁-土之間的接觸面的相互作用通常包括兩方面：一方面是法向行為，一方面是切向行為。切向行為一般包括接觸面之間的相對滑移和有可能存在的摩擦剪應力[19-20]。當模型中的兩個面相互接觸時，ABAQUS會自動生成接觸約束，這種接觸被稱為硬接觸。

法向力和切向力會同時存在于接觸面之間。當兩個接觸面接觸時，應該同時考慮相對滑移所產生的摩擦力，在模型接觸分析過程中一般采用摩爾庫倫模型來定義摩擦系數，摩擦系數可以反映兩個平面接觸產生的摩擦力大小[21]。其計算公式如下：

τcrit=min(μp,τmax),

(2)

式中，τcrit為臨界的剪切應力；μ為摩擦系數；p為接觸面之間的壓力；τmax為用戶限制的摩擦力最大值。

事實上在ABAQUS中，完全模擬接觸面之間的摩擦行為是不現實的，只能用罰來表示，罰是指允許滑移，如圖3虛線所示。接觸面之間存在兩種狀態，一種是黏結，一種是滑移，兩種狀態的連續性直接影響模型是否收斂。

圖3 接觸面間的行為Fig.3 Behavior between contact surfaces

在樁基自平衡試驗過程中，上段樁主要承受力來自于自重、樁側土體的側摩阻力以及荷載箱所提供的豎直向上的荷載。下段樁主要承受樁端的阻力、樁側的摩阻力和荷載箱所提供的豎直向下的荷載。在ABAQUS中通過對上段樁體施加重力及速度來模擬自重，荷載箱加載力會使用均布壓強來添加，這樣更有利于模型收斂[22]。設置樁-土之間的摩擦系數，模擬樁-土接觸過程中的摩阻力。

在邊界條件上，應對樁側進行對稱約束，對樁底進行固結約束。樁與土接觸的有限元模型呈對稱結構，為簡化計算工作量，建立1/4模型進行模擬計算[23-24]。

2.1 樁長的變化

為研究樁長變化對淤積土區鉆孔灌注樁承載力的影響，假定樁基的地質條件相同，分別建立樁長為30，40，50，60，70和80 m，樁徑均為1 m的ABAQUS有限元分析模型，分析樁長對樁基承載力的影響。計算得到不同樁長情況下的荷載-沉降曲線、樁軸力變化和樁側摩阻力的變化曲線分別如圖4～圖6所示。

圖4 不同樁長情況下荷載-沉降值曲線Fig.4 Load-settlement curves with different pile lengths

圖5 不同樁長情況下樁軸力變化曲線Fig.5 Curves of pile axial force with different pile lengths

圖6 不同樁長情況下樁摩阻力變化曲線Fig.6 Curves of pile friction resistance with different pile length

由圖4可知：在同一荷載作用下沉降量隨樁長的增加而減小，并且隨著荷載的增加，不同樁長的沉降量差值越來越大。當樁徑一定時，樁長的增加能夠起到增加樁基承載能力的作用，荷載沉降值曲線也由陡變型變為緩變型。在樁長由30 m增加到60 m 時，樁基的承載能力提高很大，由3 400 kN增加到13 600 kN，此時樁基承載力提高了25%。但樁長達到60 m后，樁長的增加對樁基承載力的提高已不明顯。當樁長由70 m增加到80 m時，此時樁基的承載力幾乎沒有提高。

由圖5可知：樁長的改變不影響樁頂的軸力，樁頂的軸力隨著荷載的增加呈線性增長趨勢。樁長30，40，50，60，70和80 m的樁基在極限荷載的作用下，樁端的軸力分別為224.47，318.23，430.98，402.73，365.44和333.54 kN，端阻比分別為6.18%，5.87%，4.85%，3.26%，2.98%和2.72%。隨著樁長增加，樁端阻力所能發揮的承載作用百分比越來越小，相比整體的樁基承載力，樁端阻力所發揮的承載能力非常小。

由圖6(a),(b)可以看出：樁長的改變并不影響各土層發揮其摩阻力的最終值，但是隨著樁長的增加，樁端的摩阻力減小，樁端的摩阻力和樁長呈反比關系，樁長越長，樁基的承載特性越好。樁基處于淤積土部分的摩阻力變化趨勢在樁長改變時也基本相同，在達到極限荷載時，樁長為30，40，50，60，70和80 m的樁基處于淤積土區的樁側摩阻力分別占總摩阻力的4.86%，4.77%，4.52%，4.24%，4.32%和4.16%，以上分析結果表明樁長的改變對處于淤積土區的側摩阻力影響不明顯。

2.2 樁徑的變化

為了模擬樁徑的變化對樁基承載能力的影響，樁徑分別選取0.6，0.8，1.0，1.25，1.5，2.0，2.5和3.0 m，在其他條件均相同的情況下，建立ABAQUS樁-土有限元模型，模型中加載情況按照實際的荷載試驗進行分級加載，計算得到不同樁徑情況下荷載沉降曲線、樁軸力的變化曲線和側摩阻力的變化曲線分別如圖7～圖9所示。

圖7 不同樁徑下荷載-沉降值變化曲線Fig.7 Load-settlement curves with different pile diameters

圖8 不同樁徑下樁軸力變化曲線Fig.8 Curves of pile axial force with different pile diameters

圖9 不同樁徑樁基摩阻力變化曲線Fig.9 Curves of friction resistance of pile foundation with different pile diameters

由圖7可知：相同荷載作用下，樁的沉降量隨樁徑的增大而減小，增加樁徑能有效控制樁基的沉降值。樁長一定時，增加樁徑能夠有效的提高樁基的承載能力。當樁徑由0.6 m增加到1.5 m時，樁基的極限承載力從3 400 kN提高到13 600 kN，樁基的承載力提升幅度非常明顯，主要是由于樁徑增加了也就增加了樁-土之間的接觸面積，使樁周的側摩阻力的合力增大，提高了樁基的承載能力。但是當樁徑超過1.5 m后，隨著樁徑的增加，樁基承載力提高不明顯。當樁徑由2 m增加到3 m時，承載能力幾乎沒有增加，故增加樁徑已不能繼續提高承載能力。

由圖8可知：當荷載不超過極限荷載時，隨著樁徑的增大，樁端的軸力幾乎不受影響。當達到極限荷載時，樁徑為0.6，0.8，1.0，1.25，1.5，2.0，2.5和3.0 m的端阻比分別為4.41%，3.92%，3.53%，3.43%，2.94%，2.65%，2.47%和2.35%，這表明樁徑增加并不影響樁基主要依靠摩阻力來起到承載作用。

由圖9(a),(b)可知：樁徑的改變直接影響非淤積土區各土層樁基的側摩阻力，由于樁-土的接觸面積隨著樁徑的增大而增大，故樁徑越大，各土層所能發揮的摩阻力的最終值也越大。但樁徑的改變基本不影響淤積土區樁基的承載力，淤積區樁側的摩阻力僅為非淤積土區樁側的摩阻力的4.46%，4.32%，4.56%，4.71%，4.49%，4.38%，4.42%和4.31%。并且隨著荷載繼續增大到極限荷載，不同樁徑下淤積土區樁基的側摩阻力均沒有達到最終值。

2.3 荷載箱位置的變化

自平衡就是利用在試樁過程中自身反力平衡的特點，計算樁基的承載能力。如果需要試樁自身的反力相同，就必須找到使上段樁和下段樁自身的摩阻力和樁端的阻力相互平衡的位置，這個位置就是自平衡點。荷載箱如果不是放在自平衡點上，就會使試驗結果有偏差，對測試精度的影響非常大。但是這種影響也不能被過分夸大，經過正常的勘測和合理的計算，這種影響是在可控的范圍內的。

利用ABAQUS有限元軟件分別建立荷載箱處于平衡點以及平衡點以上和平衡點以下的有限元模型，并保持其他條件不變，分析荷載箱位置位于在平衡點以上或者以下時，對整個樁基承載力的影響關系。

由圖10可知：當荷載箱剛好放置在平衡點上時，得到的承載力是樁基礎的極限承載力，那么放置在平衡點以上或以下得到的承載力均小于極限承載力。從圖10中可以看出放置在平衡點上時得到的承載力最大，放置在平衡點上部的次之，放置在平衡點下部的承載力最小。造成這種現象的原因是下段樁需要考慮樁端阻力的影響，這就使得下段樁測出的極限承載力偏小一些，所以說曲線從上至下依次為：(1)平衡點以下；(2)平衡點以上；(3)平衡點。

圖10 荷載箱位置不同樁頂的荷載-位移曲線Fig.10 Load-displacement curves of pile top at different load cell positions

2.4 樁周土體黏聚力的變化

為了研究樁周土體的黏聚力對單樁豎向承載力的影響，利用ABAQUS建立不同樁周土體黏聚力的對比模型進行比較得出樁周土體黏聚力對承載力的影響。

由圖11可知：樁頂的位移隨著樁頂荷載的增大而增大。當樁周土體黏聚力增大時，樁頂的位移變小，樁的極限承載力增大。當樁周土體黏聚力從0增加到1 kPa時，樁基的承載能力提升巨大。當樁周土體的黏聚力從1 kPa增加到3 kPa時，承載力的增大幅度變小。當黏聚力從3 kPa增長到60 kPa時，樁基的承載能力增加幅度更小了。這說明當樁周土體的黏聚力持續增大到一定數值時，樁側土體的黏聚力就無法起到提高承載力的作用了。

圖11 樁周土體黏聚力不同時樁頂的荷載-位移曲線圖Fig.11 Load-displacement curves of pile top with different cohesive forces of soil around pile

2.5 樁基承載力影響因素對比分析

由圖12可知：荷載箱位置的變化、樁周土體黏聚力的變化、樁長的變化這3條曲線比較接近，在初始加載時承載能力的提高相似，但是繼續加載時樁長的變化對于承載力的提高顯著高于黏聚力變化對承載力的影響，更高于荷載箱位置變化對承載力的影響。樁徑的變化對極限承載力的影響最大。由以上曲線可以看出增大樁徑是提升承載力最有效的手段。因為樁徑的改變會直接導致加載噸位的改變，轉換為承載力也更加直接。綜合對比分析上述影響參數，提高樁基礎承載能力有效的方法是擴大樁徑、增大樁長、提高樁周土體黏聚力、改變荷載箱的位置。

圖12 不同工況下樁頂的荷載-位移曲線Fig.12 Load-displacement curves of pile top under different working conditions

3 結論

(1)地質條件相同的情況下，樁徑一定時，通過增加樁長可以顯著提高樁基的承載能力；但當樁基增加到一定長度時，樁基承載力的提高不再明顯。因此在進行樁基設計時應該充分考慮有效樁長的影響，不能一味增加樁長去提高樁基承載力。

(2)地質條件相同的情況下，樁長一定時，增加樁徑能有效控制樁基的沉降量，顯著提高樁基的承載能力；但當樁徑超過1.5 m時，樁基承載能力的提高不再顯著。因此，在樁基的設計時，應充分考慮樁徑，采用合理的樁徑，不能盲目地提高樁徑去提高承載能力，這樣既不經濟也不合理。

(3)其他條件一定時，荷載箱的位置在平衡點上時樁基的承載力最大；在平衡點上部樁基的承載力次之；放置在平衡點下部樁基的承載力最小。這是因為下段樁需要考慮樁端阻力的影響，使得下段樁測出的極限承載力偏小。

(4)隨著樁周土體黏聚力的增大樁頂位移減小，樁基的極限承載力變大；當樁周土體黏聚力繼續增大到一定數值時，樁基承載能力增加不再明顯。由此可知，當樁周土體黏聚力的增大超過有效黏聚力后可能無法再起到提高承載力的作用。

(5)通過以上研究，本研究得出提高淤積土區樁基承載能力5種行之有效的方法，擴大樁徑、增加樁長、提升樁周土體黏聚力、改變荷載箱的位置。