路堤填筑荷载作用下深厚软基桥台桩变形及 处理措施分析*
郑明新，胡国平，褚东升²，耿大新，石钰锋
[摘要]针对某深厚软土地区桥台侧移现象，运用ABAQUS数值模拟软件，并采用扩展的 Drucker-Prager模型模拟 软土对台后分层填土的施工力学行为进行数值模拟.结果表明，在深厚软基上小厚度的填土即会对邻近桩基产生较大的影响，填土高度3m时承台侧移量就已接近规范允许值，且桩基变形量与填土高度呈非线性关系，随着填土据此软基段实际工况采用了桥梁小范围接长的处理措施，取得了满意效果. 高度增加，水平位移增速加快，竖向位移增速放缓.针对此实际工程问题，对不同的软基处理措施进行探讨，并根
[关键词]桥梁工程；桩基础；有限元分析；变形；处理措施
[中图分类号]TU753.3 [文献标识码]A
[文章编号]1002-8498(2016）13-0045-05
Analysis on the Behavior of Piles on Deep Soft Foundation due to Heaped Load and Treatment Measures
Zheng Mingxin' Hu Guoping’ Chu Dongsheng Geng Daxin' Shi Yufeng’( 1. School of Civif Engineering and Architectare East Chine Jinotong Uniresizy Nanchang Jiongzi 330013 Chine;2. CCCC FHDI Enginering Co. Lad. Guangzhou Guongdong 510230 Chine)
Abstract ;Studies indicated that construction of sub-grade on deep soft foundation may proxuce significantinfluence on the piles. To explore the laws of deformation this study selected the mechanical analysissoftware ABAQUS to explore the behavior of piles due to heaped load. The results show that construction of sub-grade on deep soft foundation will result in big vertical and horizontal pile displacements. With theincreasing of embankment height growth of pile horizontal displacement accelerated verticaldisplacement slowed down. Some general measures are provided against the problem and a longer bridgeis provided to solve the problem.
Key words ;bridges ; piles; finite element analysis; deformation; treatment measures
基，软土体侧移是造成桩基破坏的重要因素.高长向和竖向附加变形，引起桩基挠曲甚至断裂，影响大，反之亦然的定性结论.MATSUI采用黏性和 软土地区桥头路堤填筑会导致桥台桩基水平胜等运用砂槽模型试验得出，桩基刚度小则侧移上部结构的正常使用.如何考虑软基桥头路堤填砂性两种土体进行被动桩试验，得出了进入塑性阶筑对桥台桩基的影响，已引起业内高度重视.目段后，桩侧土压力随着桩间距的减小而增大的规律.除桩基侧移的相关理论和试验研究外，在数值计算，证明了二维有限元分析桩体侧移的可行性. 模拟方面，Springman运用平面应变单元进行模拟陈福全等进行被动桩桩间土土拱效应分析发现，二维有限元简化分析方法仅适用于桩中心距<3d桩径的桩基变形分析.PanJ.L.等”采用三维有 限元分析被动桩，认为三维分析比二维分析更能体现桩土间相互作用.屠毓敏轰如松”等诸多学者利用数值模拟软件建立三维有限元模型探讨了 0引言 前，已有很多学者对各类软土地区桥台桩基展开了相关研究. LT.Chen等基于桩基特性分析认为，对于混凝土桩，邻近土体的侧移比竖向位移的影响更重要.丁任盛通过理论分析认为对于软土地区桩 表1地基土层物理力学参数 上覆不同厚度软土地基中不同嵌岩深度的桩基变形规律.以上研究多基于模型试验或软土层厚度 较小（15-20m），嵌岩深度占桩基长度比例较大（1/2以上），且填土荷载较小（<100kPa）的情况，对于嵌岩深度相对较小的深厚软土地基上进行高路堤填筑的桥台桩研究则相对缺乏.本文结合某软基厚度30m、桩基嵌岩深度10m的桥台台后路堤填筑 工程，针对桩基变形问题，运用ABAQUS数值软件并采用D-P材料模型来模拟软土建立三维计算模型，分析桩基的变形规律，并进行处理措施探讨. Table 1 Soil properties of the construetion site 密度/ 内摩擦靠聚力/压缩模量/厚度/土层名称 （kgm）角/（°) kPa MPa①人工杂填土 ②谈泥质黏土 2 000 1 800 11.0 8.0 5.0 20 5. 0 4.5 18.8 1.0③湿陷性粉质黏土 ④粉砂质泥岩 058 1 10.0 23 5.0 9.5（强风化） 2 300 29.8 12. 99 300 25.6③粉砂质限岩 （羽风化） 2 400 36.5 30 500 9.0 表2结构物理力学参数 1工程概况 Table 2 Physical and mechanical parameters 某大桥桥台所处位置为深厚软土地区，桩基所处地层条件如下：①人工杂填土厚1.0m：②淤泥质黏土流塑，厚18.8m，0.=80kPa；③湿陷性粉质黏土可塑，厚9.5m，a.=150kPa;④粉砂质泥岩强风化，厚8.6m，a.=300kPa；5粉砂质泥岩弱风 化，厚17m，0.=400kPa.如图1所示. of structure承台 2 500 弹性模量/CP= 31. 05 泊松比 0.2桩基硅 2 450 29.91 0.2 保证其抗弯刚度与实际的桩基和承台相同.根据其实际配筋情况换算后，结构参数如表2所示. 为对应线性Drucker-Prager模型参数，转换后的数值 将表1中Mohr-Coulomb模型的软土参数转换如表3所示. 表3线性Drucker-Prager模型参数Table 3 Physical and mechanieal parameters of liner Drucker-Prager 材料 β/(°) 0/kPs K软土 40. 5 19. 1 0. 778 图1地层示意Fig. 1 Sketch of soil layer 注：β为团眼面在p-应力空间的角；a为单轴抗压强度；x为拉 伸强度与压缩强度的比值 桥台桩长40m，桩基础横向桩轴线间距10.3m，纵向桩轴线间距4.0m，采用4根Φ1.5m钻孔桩，路堤填土采用碎石土，其容重为20kN/m²，填 土厚度为9.9m.在桥头路堤填筑过程中，桥台产生不均匀沉降，桥台周边地面出现垂直桥梁向裂缝，部分缝宽达50mm. 在ABAQUS 中采用线性Drucker-Prager模型必须考虑此模型的硬化规律，硬化规律可以通过常规4所示. 的三轴实验来确定，本文所采用的硬化参数如表 表4线性Drucker-Prager模型的硬化参数 2数值模拟 Table 4 Hardening parameters of liner Drucker-Prager 2.1模型参数选取 真实应力/kPa 57. 040 102.359 177. 590 282. 180真实应变 0.000 0.008 2 0.024 0. 056 由于软土具有高压缩性和低强度等特点，在受到外部荷载作用时，容易产生较大的变形.扩展的Drucker-Prager模型在模拟土体材料时能够更好地考虑土体的硬化规律和剪胀特性，较适宜用来模拟 对应变率敏感的材料，故本文采用扩展的Drucker-Prager模型来模拟软土.参考已有研究成果，确定的地基土层计算参数如表1所示，结构参数如表2所示. 2.2 模型建立 软件建立三维模型对其展开深入研究.根据桥台 为全面分析桥头路堤填筑过程，基于ABAQUS周边环境及软土分析经验，确定模型尺寸为50mx120mx80m（宽×长×高），上层为淤泥质黏土，厚20m；中层为湿陷性粉质黏土，厚10.0m：下层为粉砂质泥岩，厚30m；可基本满足分析精度要求.桩基 础为双排桩，桩长L=40.0m，桩径1.5m，桩基插入粉砂质泥岩层10m：桩顶有承台约束. 研究路堤填筑荷载作用下桥台桩基的变形规律，故 桥台桩基和承台视为线弹性体，由于本文主要采用总抗弯刚度进行等效计算.桩基和承台采用实体C3D8R单元进行模拟，不考虑钢筋的嵌人，仅 模型边界条件为：上表面为自由边界，侧面受 2.3路堤填筑模拟 3模拟结果分析 横向位移约束，底部受横向和竖向位移约束.由于软土在上覆荷载作用下会产生显著的水平运动，故 本文考虑桩土经历的黏结-滑动-脱离的过程，桩土间建立接触关系，其法向接触模型为"硬接触”，摩擦特性为“Penalty”，摩擦系数为0.13（ tan（0.75））.为简化计算步骤并突出填筑土部分对桩基产生的影响，不考虑桥面自重荷载及填土侧压 力的影响.数值模型如图2所示. Fig. 2 Sketch of model( unit :m) 图2模型示意（单位：m） 由于桩基侧移量大小与软土层所受附加应力水平密切相关，为研究分层填筑路堤对桥台桩基的40 60 80 100 120 140 160 180 200kPa 其中 影响，将逐次施加填土荷载，荷载水平分别为20，20kPa与路堤填筑1m高度相当，200kPa与路堤填筑10m高度相当，其他类推.填土荷载距离前桩（靠近路基侧）中轴线1.25m，紧邻承台侧边，路基横向宽度为12.8m.荷载分布如图3所示. 图3荷载分布示意Fig.3 Load distribution 求解分析步骤：①计算桩土结合模型的自重应力场，输出节点应力作为初始应力文件保存：②导 人节点初始应力，计算自重应力场平衡：③分步施加路基填筑荷载，计算并保存结果文件：④对第③步计算结果进行后处理. 式，即靠近路基排桩称为前桩，远离路基排桩称为 为了叙述方便，本文采用国际上通用的表达方后桩：承台前面为靠近路基侧面，后面为远离路基侧面，如图3所示.由于加载和模型参数的路基轴 向对称性，前排两根桩基位移模式基本相同，为使图文简洁明了，本文仅取有代表性的1根桩进行分 析；同样，后排2根桩也仅取1根桩进行分析. 3.1桩基及桥台水平位移分析 1）最大水平位移出现位置 图4，5列出了桩基水平位移随填土荷载变化.从图中可知，桩基侧移主要发生在软土层，形状近 似于双曲线型分布，桥台及桩基础整体往桥梁方向侧移.在最终加载完成时，前桩最大水平位移出现在距桩顶8.38m处，且随着填土荷载的增加，最大水平位移出现位置逐渐向软土上表面方向移动：后 桩最大水平位移出现在距桩顶1.29m处，出现位置变化趋势与前桩相同，不赘述.比较软土层和底部粉砂质泥岩内桩基水平位移发现：随着填土荷载的增加，软土层内水平位移随荷载增加增速明显；10m以下粉砂质泥岩层内水平位移很小，且几乎不变， 其值近似为0，表现出了明显的嵌固作用. 图4前桩水平位移随填土荷载变化 Fig. 4 Relation curves of front piles displacement 图5后桩水平位移随填土荷载变化Fig. 5 Relation curves of back piles displacement to surcharge 2）最大水平位移值 在路基填土荷载作用下，桩基最大水平位移出现在前排桩基上，最大水平位移值为59.03mm，后 排桩基最大水平位移为54.63mm，承台顶面处最大水平位移值54.20mm.取前、后排桩和承台各部最 大水平位移点为特征点分析，各点水平位移随填土荷载变化如图6所示，随着填土高度的增加，各特征点水平位移逐渐增大，且前桩位移增速最快，后桩次之，承台顶部位移增速稍慢，但曲线斜率均在增大，表明随着荷载增大，水平位移增速也在增加. 图6最大水平位移随填土荷载变化Fig. 6 Relation curves of piles max displacement to surcharge 3.2桩基及桥台竖向位移分析 桥台基础最大竖向位移出现在承台上，最大值31.26mm，前桩最大竖向位移值较后桩大.对于桥梁的运营主要关心承台顶面的竖向位移，故取承台前后面角顶点分析，如图7所示，随着填土荷载的增 加，承台整体下沉，其中承台前部最大竖向位移较后部大，其值分别为30.83mm和21.98mm，前后面差值为8.85mm.然而随着荷载增加，曲线斜率在减小，竖向位移增速在放缓. 图7竖向位移随填土荷载变化Fig. 7 Relation curves of piles max displacement to surcharge 4处理措施探讨 4.1提高软基强度 具体实现方法为排水预压法：通过设置竖向排 水体，如袋装砂井或塑料排水板，通过堆载预压或真空预压方式来提高软土层的固结度，减小路堤填 筑时引起的沉降.本方法较适合用于普通软基处理，对于桥头软基，预压堆载就会引起软基的沉降，造成桥台的侧移，故不适宜在桥头软基处理中使用. 4.2降低软基附加应力 由于软土在填土附加应力下塑性流动所形成的土 对于深厚软基上的桥台，其侧移的发生主要是棋效应所致（，故其处理效果应致力于减小软土所受附加应力，减小甚至阻正软土的流动.比较目前工程中诸多处理措施，以下3种处理方式对于减小 桥头深厚软基表面附加受力较为有效. 1)方式1桩式复合地基法 桩土复合地基的工作原理是将上覆荷载转移至桩体甚至下方持力层承担，对减小软基附加应力较为程“中使用效果较好的处理措施，主要从处理深度 有效.针对本工程软土的具体特点，参照类似工方面对以下几种方案进行系统分析比选（见表5）. 表5软基处理深度对比 Table 5 Comparison of handle depth处理方案 搅拌桩 水泥 CFG 椎 双向水泥混凝土 搅拌核 预应力 管桩处理深度 20
由表5可知，除预应力管桩外，其他处理措施的有效处理深度均在20m以下，本工程软基厚度达30m，仅有预应力管桩处理方式可选.但目前预应 力管桩在实际工程应用中出现了诸多问题，主要集中在施工技术方面：由于管桩需挤土插人，容易造成先打管桩上浮，接桩部位脱焊，影响单桩承载力：且实际工程使用的管桩桩径较小，抗剪能力弱，抗至损伤断裂.而本桥头段软基向路基侧地势逐 弯刚度低，当遭到外界水平推挤时桩身易倾斜，甚渐升高，在施工中极易引起土体的侧移，进面对管桩产生水平推挤效应，造成管桩破坏：且桩体的施工会产生侧向挤出效应，对邻近桥台带来不利影响.故桩式复合地基法不适宜对本桥头深厚软基 的处理.
2）方式2轻路堤法
泡沫轻质土是一种加气混凝土，容重轻是其主要特点，该方法直接降低路堤荷载和软土层的附加应力.目前实际工程中通过改变泡沫轻质土的气 泡、土等的配合比，其最小容重可减小至5kN/m".但目前泡沫轻质土制备技术尚不完善，且工后运营效果有待验证，不适宜本工程采用.
5结语
参考文献：
（上接第44页）
参考文献：
3）方式3桥梁小范围接长法
的填筑高度，进而达到减小软基附加应力的目的. 本方法的实质是通过改变桥头位置减小路堤文献[17]8.5.9条规定，桥梁承台轴线偏位最大允许值为15mm，结合本文数值计算结果，当填土高度为3m时，承台顶部最大位移为13.41mm，小于规范允许值.考虑到填土卸载后桥台位移基本恢复，且 桥头路基侧地势逐渐升高，经综合比选，本工程采用了将桥梁接长至桥头填土高度<3m处，共计接长桥梁3x10=30m.实际应用结果表明，该处理方法较为有效，很好保证了大桥的稳定和结构安全. 本文依托实际工程，建立三维数值模型，分析路基填筑荷载对桥梁桩基的影响，并探讨了桥头深厚软基的处理措施，结论如下. 基侧移动，桩基最大侧移值为59.03mm，承台顶面 1）路基填筑荷载会造成该桥梁桩基向远离路的最大侧移值为54.20mm：同时，也会造成承台顶面的不均匀下沉，其前后沉降差值达8.85mm. 2）软基上小厚度填土即会造成桩基严重侧移，值，且桩基变形量与填土荷载呈非线性关系，随着 当填土高度为3m时，承台侧移量已接近规范允许填土荷载增加，桩基水平位移增速加快，竖向位移增速放缓. 用的桥梁接长方案是可行的. 数值模拟结果和实际使用效果显示，本工程采 [ 1 ]L T CHEN H C POULOS. Ples subjecteal to latenal sdlmosemrmt [ J ]- Jourmal of gmlechnical anl mvironmnt Engineering 1997 123(9) ;802-811. 边建筑物安全、避免地下水资源出现极大浪费为出 发点，以回灌水质、建筑物距离基坑远近、风险损失等级、含水层透水性以及基坑降水量与含水层储水量之比为评价指标，利用矩阵评价法建立了基坑降水回灌适宜性分级标准，有助于基坑降水回灌适宜 性的管理决策和现场实施. [1]李涛，曲军能，周彦军深基坑降水对周围建筑物沉降的影[2]莫运桃，深井和回灌井联合系统的设计和应用[J].住宅科 响[J].北京工业大学学报 2009 35(12);1630-1636.技 2002 (9) : 12-14.[3]姚纪华，宋汉则，吴志伟，等，基于间淮法控制深基坑降水 引起地面沉降数值模拟[J]. 工程勘察 2013 41(4) ：30-34. [2]丁任盛.临近堆载对深厚软土桩基影响的现场试验研究 [J].铁道科学与工程学报，2015(2）：291-296.[3]高长胜，魏汝龙，陈生水，抗滑核加国边坡变形破坏特性离心[ 4 MATSULOptimiztion f coding pipe sytem for plastie injection 模型试验研究[J]-岩土工程学报 2009(1)：145-148.melding[ C]/The fourth China-Japn-Koree joint smpsium on[ 5 ] SPRINGMAN. Modeling of soil-structure interaction for a pilerd optimization of snuctural and mechanical syalems 2006.bridge plane strain FEM analyaes [ J ]. Computer xand[6]陈福全，域，地面维载作用下邻近核基性状的数值分析 geotechnics 2001 (28 ) ;79-98.[J]. 岩土工程学报 2005 27 (11) : 1286-1290.[ 7 ] PAN J L. GOH A T C WONG K S et al. Three-dimwmsioral amalysis of single pile mspomse to laberal soil movements[ J] . IntJ mmer&: anal meth geomech 2002 26(6) ;747-758.[8]屠能，俞亚南，被动排桩弯由性状的三维有限元分析[J]. 岩土力学 2008 29(2):342-346.[9]聂如松，冷伍明，邓宗伟，等，被动方桩土棋效应三维有限元[10]铁路特殊路基设计规范；TB10035-2006[S].北京；中国铁道 分析[J]. 工业建筑 2007 37(7) ：47-52.出版社 2006.[11]廖公云，黄晓明.ABAQUS有限元软件在道路工程中的应用 [M].2版.南京：东南大学出版社，2014.[12]李雪峰.软土地基桥头路基填筑对桥台桩基础影响研究[13]李琳，杨敏，熊巨华，等，被动桩桩土相互作用研究现况与分 [D].长沙；长沙理工大学 2011.析[J]地下空间与工程学报 2012(S1);1475-1482.[14]欧阳光高速公路桥头深厚软土地基的水泥搅拌桩处理 [J]. 交通标准化 2013(1) :139-142.[15]俞世然.预应力管桩处理高等级公路桥头软土地基研究 [J].公路交通科技（应用技术版） 2013（5）；150-153.[16]戴智敏，气泡混合轻威土的应用技术研究[D].长沙；中南大学，2008.[17]公路工程质量检验评定标准：JTCF80/1-2004[S]-北京：人 民交通出所社 2004. [4]姚辉，回淮法在基坑降水中的设计与应用[J].工程勘察， 2010 (6) : 35-43.[5]朱悦铭，翟成松，深基坑降水过程中的回淮分析[J].中国[6]冶雪艳，耿冬青，杜新强，等.工程降水中人工回淮综合技 西部科技 2011 10(12) : 31-33.术[J]. 世界地成 2011 30(1) ; 90-97.[7]李整，抗滑桩兼作景观道路基础受力分析与优化设计[J]. 施工技术 2015 44(21)：81-84.[8]宁仁岐，郭萃，徐晓飞，金力大厦深井井点降水及回淮技术[9]马荣华苏州伊莎中心大厦二级轻型井点国徽施工技术 [J].哈尔滨建筑大学学报，1996 29(6）：116-120.[J]. 施工技术 1997 26(1) ; 70-74.[10]杜新强，迟宝明，路堂，等，雨洪水地下回灌关键问题研究 [M].北京：中国大地出版社，2012.[11]杨天亮，严学新，王寒梅，等基坑施工引发的工程性地面降研究[J] . 上海地度 2009 30(2) ;15-21.
