軟土條件下橋梁樁基礎承載力特性分析

摘要 橋梁作為重要的交通方式，是人類生活中不可缺少的建筑結構。文章結合現場單樁靜載試驗數據，通過Midas GTS NX大型有限元軟件建立數值模型，進行軟土條件下橋梁單樁承載力特性分析，并對比不同荷載作用下的結果與靜載試驗結果，驗證Midas軟件模擬樁土相互作用的合理性，并通過分析不同樁徑、樁長和軟土層厚度情況下的樁基承載力特性，分析樁基承載力特性影響因素并優化橋梁樁基礎的設計方案。

關鍵詞 橋梁樁基礎；樁基礎承載力特性；單樁靜載試驗；數值模擬；Midas

中圖分類號 TU473.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）08-0140-03

0 引言

近年來，隨著我國國民經濟的快速發展，交通規模的發展也越來越大，更多的交通基礎設施也亟須建設，并投入使用。橋梁工程作為交通建設的重要組成部分，其發展規模也逐漸壯大，尤其在沿海地區的城市發展中，橋梁更是交通中不可或缺的建筑結構，然而沿海城市中的地基土多為軟弱土層，在橋梁樁基礎建設過程中對軟土處理不當將可能造成難以想象的后果及巨大的經濟損失，因此在軟土條件下，提高橋梁樁基礎的承載力對于避免工程結構的危害顯得尤為重要，對樁基礎的研究也成為學術界的重要研究內容之一[1-4]。單樁靜載試驗是檢驗樁基礎承載力的常用方法，采用與樁基礎實際承載條件極為接近的加載方法進行試驗，仍是業內公認的檢測樁基承載力最為直接有效的方法。其原理是通過相應的千斤頂加載于樁基礎的頂面，利用反力裝置施加反力，將位移傳感器安裝于樁頂位置，并由此讀入樁頂的沉降位移，根據逐級加載作用下得到的沉降位移值獲得橋梁樁基礎單樁的荷載－沉降曲線，由此分析樁基礎的承載力特性[6-7]。

該文通過某橋梁樁基礎的現場單樁靜載試驗，對4根樁進行靜載試驗，通過逐級加載檢測橋梁樁基礎的承載力特性，分析研究其荷載－沉降規律。采用大型通用的有限元軟件Midas GTX NX建立樁－土模型，模擬分析單樁靜載試驗下樁基礎的荷載－沉降規律，通過改變樁徑、樁長建立有限元模型，模擬分析橋梁樁基礎承載力特性影響因素，從不同樁徑及不同樁長中分別選出兩種最優樁基礎設計方案。對比這兩種方案的承載能力，并通過計算施工成本，最終選擇更為合理的樁基礎設計方案。

1 土層參數

在橋梁樁基礎的建設中，地基土層的性質是影響樁基礎的設計及樁基沉降變形的主要因素，因此，準確勘察橋梁樁基礎所處的土層情況十分重要。根據現場勘察，某橋梁的樁基礎地基條件從上到下土層分布情況及相應土層參數如表1所示。

2 靜載試驗

在某橋梁工程的現場進行單樁靜載試驗，采用分級加載的方式。橋梁的樁基礎樁徑為1 000 mm，單柱承載力特征值為10 000 kN。加載時分為八級加載，第一級2 000 kN，第二級4 000 kN，之后每級增加2 000 kN，最終加載至兩倍的單樁承載力特征值，也就是20 000 kN。數值模擬時采用和上述一樣的分級加載方式。通過現場靜載試驗采集數據，生成現場4根樁在分級加載的情況下的樁頂沉降圖如圖1所示。由圖1可以看出，通過靜載試驗的逐級加載，樁頂沉降變化較為緩慢，并無突變現象，且在極限荷載作用下，最大沉降為69.53 mm，表明該樁基礎設計安全。

3 數值模擬分析

3.1 數值模型建立

該文采用大型通用非線性有限元軟件Midas GTS NX建立橋梁樁基礎單樁試驗模型，分析單樁承載力特性。Midas GTS NX分析計算過程主要包括建立幾何模型、設置材料參數以及屬性、劃分網格、定義約束條件、確定荷載類型、加載、定義施工階段以及最后求解。后處理階段包括查看計算結果，如應力應變云圖、位移云圖、內力圖等。

該文的數值模型土層參數采用表1數據。圖2所示為樁基礎數值模型，其中樁單元網格尺寸為0.5 m，土層單元尺寸為1 m。為了得到更精確的數值模擬結果，在樁土之間建立邊界單元，使樁土的界面更接近實際的工程情況。

為了進行橋梁樁基礎承載力特性分析，根據樁徑、樁長及軟土厚度建立不同的數值模型，其中樁長分別取30 m、40 m、50 m、60 m、70 m，樁徑分別取0.8 m、1 m、

1.2 m、1.5 m、2 m，然后對以上參數進行不同組合建立多個有限元模型。

3.2 模型驗證

根據現場單樁靜載試驗結果，建立數值模型并驗證模型的準確性，將數值模擬結果與現場實測數據結果進行對比，通過分級加載得到樁頂沉降結果如圖3所示。由圖3中的荷載－位移曲線可看出，數值模擬結果與單樁靜載試驗實測結果基本吻合，證明該數值模型的可靠性。

3.3 樁徑對樁基的承載力影響分析

為了研究不同樁徑對橋梁樁基礎承載能力特性的影響，分別建立樁徑為0.6 m、0.8 m、1 m、1.2 m、1.5 m、2 m的Midas有限元數值模型，樁長取50 m，除樁徑外其余各項參數與1#樁的參數相同，荷載的施加按照現場單樁靜載試驗進行分級加載。根據有限元模擬數值結果，將不同種樁徑情況下樁基沉降進行圖形繪制，如圖4所示。

分析圖4可知：當樁長一定時，隨著樁徑的增大，橋梁樁基礎的承載能力逐漸增大，荷載－沉降曲線由陡降型變為緩變型。當樁徑從0.6 m增加到1 m時，樁基礎的承載能力明顯增強；而樁徑為0.6 m與0.8 m時，隨著分級荷載的增大，樁頂沉降出現驟降現象，這說明太小的樁徑會導致樁基承載力不足；當樁徑大于1.5 m時，隨著樁徑的增大，樁頂沉降的減小幅度較弱，即樁基礎承載力提高不明顯，此時，再增加樁徑只會增加施工成本，造成浪費。

3.4 樁長對樁基的承載力影響分析

為了研究不同樁長對橋梁樁基承載特性的影響，分別建立樁長為30 m、40 m、50 m、60 m、70 m的Midas有限元數值模型，除樁長外其余參數與1#樁的參數相同，荷載的施加按照現場單樁靜載試驗進行分級加載。根據有限元模擬數值結果，將不同種樁徑情況下樁基沉降進行圖形繪制，如圖5所示。

分析圖5可知：樁徑一定時，隨著樁長的增加，橋梁樁基礎的承載能力逐漸增大，荷載－沉降曲線由陡降型變為緩變型。當樁長小于50 m時，樁頂沉降隨荷載增加出現陡降現象，承載能力明顯不足，這是由于樁長不足，導致樁底仍處于軟弱土層，即淤泥質土中，無法為樁基礎提供足夠的承載力。當樁長由30 m增加到50 m時，樁基承載能力明顯增大，其中8 000 kN增加到20 000 kN的過程中，承載力的提升最為明顯，這是由于樁土之間的摩擦接觸面積相應地增加，使得樁基礎的側摩阻力合力增大，從而使得承載能力增大，且樁長達到50 m時，樁底已穿過軟弱土層，在非軟弱土層中得到更高的承載力；當樁長大于50 m后，樁基礎的承載能力的提升幅度逐漸減緩；當樁長由60 m增加到70 m時，二者的荷載－沉降曲線幾乎重合，樁基礎的承載能力相當，此時，再通過增加樁長來提高樁基礎的承載能力效果并不明顯，而且會增加施工成本。這是由于樁基礎的承載能力受到有效樁長的影響，當樁長增加到一定長度時，某一深度下的側阻力幾乎為零，此時再增加樁長，樁基礎的承載能力也不會增加。實際影響樁基礎有效樁長的因素有很多，包括樁身直徑、樁土之間的剛度比、土體的楊氏模量等。因此，設計樁基礎時應充分考慮有效樁長的影響，從而選用更為合理的樁長，有效提高樁基礎的承載能力。

3.5 橋梁樁基礎的優化設計

3.5.1 樁長與樁徑的合理選擇

根據上述模型的分析發現，當樁徑超過1.5 m、樁長為50 m時，再次增加樁徑對于提高樁基承載力的效果并不明顯，此時，樁徑取1.5 m、樁長取50 m時，能夠使樁基在該軟土地基中達到最大的承載特性；當樁徑一定時，當樁長超過60 m時，再次增大樁長對于提高樁基承載力的效果并不明顯，樁基承載力受到有效樁長的影響，此時取樁長為60 m，即可達到最大承載力特性。

3.5.2 模型驗證

為了優化橋梁樁基礎的設計，根據上述模型進行對比分析，選取兩組合適的樁基設計方案，建立Midas有限元模型進行對比分析，從中選出更為合理的樁基礎設計方案。

方案一：樁徑與樁長分別為1.5 m、50 m；

方案二：樁徑與樁長分別為1 m、60 m。

對兩種方案進行單樁靜載試驗數值模擬，其荷載－沉降曲線結果如圖6所示。

由圖6對比結果可看出，兩種方案在分級加載過程中，樁頂的沉降規律基本吻合，能夠達到的極限承載力基本一致，較難從效果上判斷哪種方式更為合適，故下面從經濟上計算兩種方案所需的施工成本，計算混凝土用量，按照如下公式進行計算：

式中，V——混凝土用量；l——樁長；A——樁身橫截面積。通過計算得出，方案一所需混凝土用量為88.357 m3，方案二所需混凝土用量為47.124 m3；由此可知，方案二所耗費的施工成本明顯低于方案一，因此，方案二為最優樁基礎設計方案。

4 結論

該文通過對比橋梁樁基礎的單樁靜載試驗與有限元數值模擬的荷載－沉降曲線可知，Midas有限元能夠較為準確地模擬樁－土之間的相互作用。通過建立不同的數值模型，分析不同樁長、樁徑對樁基承載力特性的影響，得出以下結論：

（1）樁徑一定的情況下，隨著樁長的增加，樁基的承載力特性隨之增大，當增加到一定程度時，再增加樁長對樁基承載力的提升毫無意義。

（2）樁長一定的情況下，隨著樁徑的增加，樁基的承載力特性逐漸增大，當增加到一定程度時，再增加樁徑對樁基承載力的提升毫無意義。

（3）進行樁基礎設計時，樁長穿過軟弱土層相比于未穿過軟弱土層，樁基礎的承載力提升極為明顯。

（4）基于有限元數值模型的對比分析，優化樁長及樁徑的選取，最終確定60 m樁長、1 m樁徑能夠最大限度地發揮樁基礎的豎向承載能力。

參考文獻

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