低承台桥台桩基侧向受力性状试验与数值分析
聂如松，冷伍明，杨奇，岳健
(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075)
摘要：基于现场测试结果，采用三维有限元技术分析低承台桥台桩基在台后路基填土过程中桩基沉降、桩身弯矩、桩顶水平变形、桩身剪力和桩侧附加水平挤压力随台后填土荷载增加的变化规律。研究结果表明：计算结果与实测结果吻合较好；桩顶水平变形和桩身最大弯矩随填土荷载的增加近似呈线性增加；深度方向20 m范围内，桩身剪力图呈“S”型，桩侧附加水平挤压力图呈抛物线型。低承台桥台桩基力学模型等同于桩顶和桩端嵌入一定深度、具有一定变位的超静定梁结构。本文所得结论可以为桥台桩基的设计和施工提供参考。
关键词：软土；桥台桩基；路堤；有限元法
中图分类号：TU473 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)05-1877-08
Field test and numerical analysis on behaviors of low-cap pile foundation supporting bridged abutment subjected to embankment load
NIE Ru-song, LENG Wu-ming, YANG Qi, YUE Jian
(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: Based on field test results, a three-dimensional finite element method was set up to explore the settlement of the pile foundation, the bending moment of the piles, the horizontal movement of pile head, shear force and earth pressure on pile shafts with increasing embankment load behind the abutment wall. The results show that the calculated and measured results agree well; the lateral deformation of pile head and maximum bending moment of pile with the increase of embankment load increases linearly. In 20 m depth, the distribution of shear force along the pile depth is in “S” shaped pattern, the distribution of the earth pressure along the depth direction is of a parabola. The mechanical model of low-cap pile foundation is equivalent with the statically indeterminate beam of the pile head and pile embedded in a certain depth soil. The conclusions can be helpful and give references for pile design and construction.
Key words: soft soil; piled bridge abutment; embankment; site monitoring; finite element method
软土地区桥台桩基的受力情况比较复杂，不仅要承受上部结构自重和交通车辆传递下来的荷载，而且还要承受桥台背传递下来的土压力和因为台后路基填筑对桩基产生的附加水平挤压力及负摩擦力。因此，软土地区桥台区域一直是工程病害和事故的多发地带，也是工程界关注的焦点。Springman等[1-5]利用先进的离心模型试验技术对不同的边界条件和不同的软土层厚度中的桥台桩基进行研究，取得了一系列成果；李仁平等[6-9]对软土地区桥台桩基进行了现场试验方面的研究。Broms等[10-14]运用有限元方法对桥台桩基的性状进行分析；聂如松等[15-16]采用ADINA有限元程序对荷载作用下排桩的受力性状进行了分析，探讨了桩侧土压力的分布规律及桩-土间的土拱效应，并结合现场实测，采用有限元程序对高承台桥台在台后填土过程中桩基的受力情况进行了分析。本文作者在现场测试成果的基础上，基于ADINA有限元程序，建立三维群桩有限元模型，研究低承台桥台桩基在台后路基填土过程中桩基沉降、桩身弯矩、桩顶水平变形、桩身剪力和桩侧附加水平挤压力随台后填土荷载增加的变化规律。
1 现场试验概况
随着高速铁路和高速公路的快速发展，如何考虑软基桥头路基填筑对桥台桩基的侧向影响，已引起工程界的高度重视。在某拟建高速铁路软土地基试验段，进行了桥台桩基在台后填土前后轴力变化的长时间跟踪观测，从而确定了桥台桩基弯矩分布及随荷载和时间的变化规律。为软土地区桥台桩基受力性状研究提供了第一手资料。
1.1 工程地质概况
根据该工程地质勘察报告，场地地层属第四系全新统冲湖积层，主要由淤泥质黏土、粉质黏土、粉砂组成。桩长范围内各主要土层地质资料自上而下如图1所示。各土层的物理力学性质指标见表1。
1.2 试验桩的设计参数
图1所示为该桥台与基础的剖面图。桥台桩基为钻孔灌注桩，共12根桩，平面布置呈3排4列方 式，如图2所示。图中，5号、7号、10号桩为试验桩。台后路基填筑段，其软基采用袋装砂井和堆载联合方式进行了处理。钻孔桩的设计桩径为 1.0 m，桩长为43 m，桩端持力层为褐黄色的粉砂层，钻孔桩的主筋直径为25 mm钢筋，为了设置传感器的需要，试验桩采用通长配筋，桩身上部16.4 m范围内采用40根直径为25 mm钢筋，其下采用20根直径为25 mm钢筋。钢筋计主要布置在各土层分界面，厚度较大的土层的中间位置也设置了钢筋计，如在粉砂层中，由于厚度较大，钢筋计按4.0 m的间距布置；在同一截面上同时采用振弦式钢筋计和电阻应变式钢筋计，均呈轴对称布置，如图3所示。各试桩自下而上设置14个测试截面，测试截面编号依次为A，B，C，D，E，F，G，H，I，J，K，L，M和N，通过专用测试仪器，可以直接读出钢筋应力。再根据截面配筋率，换算测试截面处桩的轴力，并分析负摩擦力和弯矩。
图1 桥台和基础剖面图
Fig.1 Profile of piled abutment
表1 各土层物理力学性质指标
Table 1 Physic-mechanical parameters of soils
图2 桥台基桩布置和试验桩基位置
Fig.2 Layout of abutment piles
图3 钻孔灌注桩钢筋计布置图
Fig.3 Layout of strain gauges in bored pile
1.3 台后路基填土施工过程
台后过渡段填料选择为级配碎石加3%的水 泥，级配碎石的配合比为：m(碎石(粒径20~40 mm)): m(碎石(粒径16~31.5 mm)):m(碎石(粒径5~16 mm)):m(石粉)= 1:2:3:4。分层夯实，每一层夯实后的平均厚度为25 cm，碾压方式为先静压两遍再震动压实。过渡段填土形状呈倒置的梯形。压实后的重度大致为21.5 kN/m3。远处路基和桥台基础修建完毕后，最后填筑过渡段。过渡段填土完毕后，再在其顶堆载2.7 m的浮土进行超载预压。
2 有限元分析
2.1 桥台群桩有限元模型的建立
事实上，桥台一般都采用低承台群桩基础。为了更好地模拟桩基桥台-路基-地基之间的相互作用。本文建立了低承台群桩模型，其有限元模型如图4所示。土体采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型。桩体采用各向同性线弹性模型。模型计算参数如表2所示。
图4 桥台有限元模型
Fig.4 Finite element model of abutment
表2 土和桥台计算参数表
Table 2 Parameters of soils and abutment
模型采用Y-Z面对称，取桥台的一半建立模型。X方向模型宽25.1 m，Y方向全长68.5 m，地表向下即Z向为51 m，桩端以下土体为6 d，承台厚2 m，地表与承台上表面持平。台身高6 m，台后路基高6 m，长40 m，半边宽5.1 m，按0.3 m每层加高，分20层。Y轴所垂直的2个侧面约束Y方向的位移，X轴所垂直的2个侧面约束X方向的位移，底面约束Z向位移。桩-土之间没有设置接触单元。台身以及台后填土通过生死单元来实现，承台周边与地基之间、承台底面与地基之间设置接触单元，台背与填土之间也设置接触单元。设置接触单元的主要目的是要获得台背后的土压力，承台四周和承台底面与地基土体之间摩擦因数设为接触土体内摩擦角的正切值，为μ=0.153，台背与填土之间的摩擦因数μ=0.36。
2.2 计算过程
在分析求解时，第1步计算土体自重产生的初始应力场，输出节点应力并作为初始应力文件保存；第2步建立桥台群桩与地基土相互作用模型，导入节点初始应力，计算自重应力场。然后将桥台单元激活和台后路基单元分层激活，模拟桥台台身的修建过程和台后路基的修建过程，计算完毕保存结果文件；第3步，对第2步计算结果进行有限元后处理。
3 结果分析与比较
3.1 桥台沉降比较分析
表3所示为桥台(自重4.9 MN)修筑完毕，台后路基填筑完时承台A，B，C和D 4角(如图2所示)沉降观测值。从表中可以看出，承台靠近路基一侧的沉降大于远离路基一侧的沉降。表4所示为有限元计算结果，当台身以及路基荷载与实测情况相当时，靠近路基一侧的沉降小于实测结果，远离路基一侧的沉降大于实测结果，承台两侧的沉降差比较小。有限元模拟了现场实际承台重心偏移状况，在台身自重加载完毕时，承台四角发生了不均匀沉降，其中靠近路基一侧的沉降大于远离路基一侧的沉降，但两者之间的差值只有0.47 mm。影响桥台沉降的因素众多，桥台自身重力、地基条件、桩基实际承载力、桩身负摩擦力、软弱土层侧向变形给桩向前的推力、承台四周土体的性质等等。模拟结果没有承台两侧实测沉降差大，但与实测平均沉降很接近，其主要原因是桥台在施工过程中，承台四周并没有回填压实，对承台的约束力很小；而采用高承台群桩模型模拟[16]，其沉降计算结果与实测结果更为接近。从这一点可以说明：在台后路基施工之前，先回填承台基坑，可以大大地减少桥台前移量。
表3 实测承台沉降表
Table 3 Settlement of bearing platform
表4 有限元计算承台沉降表
Table 4 Settlement of bearing platform calculated by FEM
3.2 桩身弯矩比较分析
图5所示为台后过渡段路基填土 5.05 m并超载2.7 m高浮土过程中及超载作用下1周和4.5月后桥台5号桩和7号桩桩身实测弯矩图。图6所示为低承台桥台在台后路基作用下10号桩、7号桩和2号桩桩身弯矩随填土高度变化的计算结果。
将实测结果与有限元计算结果对比分析可以发现，7号桩计算结果明显大于5号桩和7号桩的实测结果。原因是多方面的。本文作者认为：在实际工程中，台后地基经过袋装砂井进行处理，在路基填筑过程中，地基土中的孔隙水大部分被排出，地基土强度有了较大提高，在相同荷载作用下，地基土体的侧向变形减小，作用在桩侧的土压力也会减小，导致实测桩身弯矩小于有限元计算结果；其次，在有限元计算过程中，没有考虑桩-土之间的相对位移，可能使计算结果大于实测结果。
实测结果中桩身最大弯矩的位置更靠近地表，且桩顶弯矩与计算结果有较大差别，波动比较大。主要原因可能是在施工过程中，桩顶的弯矩结果受到外部环境的干扰比较大，台背填土施工的影响很难人为控制。
图5 桥台桩基实测桩身弯矩图
Fig.5 Measured bending moment in piles
从计算结果可以发现：随着台后填土高度的增加，桩身弯矩逐渐增大。桩身弯矩在深度方向存在2个拐弯点，由于承台和持力层的限制作用，低承台桩基相当于两端有一定变位限度的超静定梁结构，中间由于承受软弱土体的侧向挤压，使得桩身出现2个拐弯点。桩身弯矩最大值出现在桩顶与承台的连接处，软弱土层的中部出现弯矩极大值。这跟高承台桥台[16]计算结果不一样。在台后路基荷载作用下，由于承台没有水平向的约束，最大弯矩值往往出现在软弱土层的中 部[16]。其最大值的位置与低承台软弱土层中部桩身弯矩极大值位置一致。
对比图6(a)，6(b)和6(c)可以发现：在相同路基荷载下，10号桩桩身弯矩大于7号桩桩身弯矩，7号桩桩身弯矩又大于2号桩桩身弯矩。桩身弯矩随距离路基的远近而变化，距离路基越近，桩身弯矩越大，距离路基越远，桩身弯矩越小。这与文献[16]中桩基计算结果一致。也与Gue等[17]报道的马来西亚雪兰莪州一条河上的钢筋混凝土梁桥B桥台桩基础破坏所表现出来的规律一致。
3.3 桩顶水平位移、桩身最大弯矩与路基荷载的关系
图7所示为低承台桥台桩顶水平位移与台后路基荷载关系曲线图。从图7可以看出：无论是靠近路基一侧的10号桩，还是远离路基一侧的2号桩，包括中间的7号桩，桩顶水平位移随着台后路基荷载的增加，逐渐向远离路基一侧方向偏移，表现为桥台前移。桩顶水平位移与台后路基荷载之间的关系呈近似直线关系。这与Jeong等[5]的离心试验结果所表现出来的规律一致。Stewart等[18]总结了路基填土荷载与桩身最大弯矩及桩顶水平变形的关系，发现路基荷载与桩身最大弯矩及桩顶水平变形呈双折线关系。其中两折线的拐点对应的路基荷载约为地基软土层不排水抗剪强度的3倍即3su。Stewart等[18]所得结果是基于几个工点不同情况下的测试结果，具有很大的离散性，而且对于桥台是否是高承台还是低承台，没有具体说明。聂如松等[16]对高承台桥台桩基桩身弯矩和桩顶位移与台后填土荷载的关系进行了详细地探讨。认为高承台桥台桩基桩顶位移与台后荷载的关系与Stewart等[18]总结的经验关系较为吻合。
图6 桩身弯矩分布图
Fig.6 Calculated bending moment in piles
图7 桩顶水平位移与台后填土荷载的关系
Fig.7 Relationship of horizontal displacement of pile top and embankment behind abutment
低承台桥台桩基桩顶水平位移与高承台桥台桩顶水平相比要小得多。本文计算结果中，在台后填土高6 m时，桩顶最大水平位移为1.4 mm左右。这一点可以充分说明：周边土体对桥台的约束作用效果非常明显。因此，在桥台设计中，采用低承台型式可以有效地限制桥台前移病害的发生。
图8所示为低承台桥台桩身最大弯矩与台后填土荷载的关系曲线。从图8可以看出：随着填土荷载的增大，桩身最大弯矩随之增大；桩身最大弯矩与填土荷载呈近似线形关系。靠近路基的前排桩桩身弯矩大于中间桩排的弯矩，大于远离路基向的后排桩弯矩。桩身最大弯矩随距离路基的距离而变化：靠路基越近，桩身弯矩越大；距路基越远，桩身弯矩越小。数值计算表明：低承台桥台桩基桩身最大弯矩出现在桩顶处，这与高承台桥台桩身弯矩的位置是不同的。Springman等[1]和Jeong等[5]在离心试验中也得到类似的结果。
图8 桩身最大弯矩与台后填土荷载的关系
Fig.8 Calculated maximum bending moment in piles with increasing embankment load
3.4 桩侧附加水平挤压力和桩身剪力分析
将桩身弯矩随桩长变化曲线用五次多项式拟合，然后求一次和二次导数可以分别得到桩身剪力分布图和桩侧附加水平挤压力分布图。下面以10号桩为例，分析桩身剪力和桩侧附加水平挤压力的变化规律。桩身剪力分布曲线见图9，桩侧附加水平挤压力分布曲线见图10。
从图9可以看出：桩身剪力随着台后填土高度的增加而增大；随着深度的增加，先逐渐增大，达到峰值以后又逐渐减小；在距离桩顶13 m处，桩身剪力由负值转为正值，然后随着深度的增加而增大，在距离桩顶约20 m处达到最大值。从整体上来看，桩身剪力图在20 m深度范围内沿桩长呈“S”型。
从桩身剪力图可以判断出桩侧附加水平挤压力的分布情况。承台和地表土层为桩基提供了一定的反力，距离承台底部5 m深的软土并没有因为台后路基荷载的影响而对桩基产生附加水平挤压力，反而由于承台的约束以及群桩的夹持效应为桩基提供了约束反力。5 m深度以下，到20 m深度止，软土对桩产生了附加水平挤压力，力的转变对应着桩身剪力的峰值。由不同位置桩身弯矩的变化规律(如图6所示)，可以发现不同位置桩身剪力随与填土的距离越远而越小。
从图10可以看出桩侧附加水平挤压力的分布规律：附加水平挤压力随填土荷载的增加而增大；在距离承台底面深度5 m范围内土体对桩产生了水平抗力，抗力分布呈近似倒三角形分布；在5~20 m深度范围内，地基土体对桩产生了附加水平挤压力，使桩挠曲变形。该附加水平挤压力随深度呈抛物线分布，这与Springman等[1]离心试验结果是一致的。附加水平挤压力并不是产生在整个软土层内，桩侧最大附加水平挤压力没有超过20 kPa。
图9 桩身剪力分布曲线
Fig.9 Calculated shearing forces in piles
图10 桩侧附加水平挤压力分布曲线
Fig.10 Calculated lateral earth pressures on piles
4 结论
(1) 采用低承台结构型式，并在台后路基填土之前，先回填承台基坑，可以有效地防止桥台前移病害的产生。
(2) 桩顶水平位移、桩身最大弯矩随填土荷载呈近似线性变化，与Springman和Jeong离心试验获得的规律相一致；但与Stewart等所总结的双折线曲线关系不同。
(3) 在台后路基填土过程中，低承台桥台桩身最大弯矩的位置始终处于桩顶。低承台桥台桩基表现出来的力学特性相当于桩顶和桩端嵌入一定深度、具有一定变位的超静定梁结构。
(4) 在深度方向20 m内，桩身剪力沿呈“S”型分布，桩侧附加水平挤压力呈抛物线分布；桩侧附加水平挤压力并不一定在整个软土层产生。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2011-06-22；修回日期：2011-08-11
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51108464)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2011QNZT106)
通信作者：聂如松(1980-)，男，湖南衡阳人，博士，讲师，从事桥梁基础和路基工程方面的研究；电话：13574867825；E-mail: nierusong97@163.com
