侧方堆载作用下高架桥群桩基础变形分析

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1、侧方堆载作用下高架桥群桩基础变形分析侧方堆载作用下高架桥群桩基础变形分析梁育玮1，2，边学成1，2，董亮3(1.浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江杭州310058;2.浙江大学岩土工程研究所，浙江杭州310058;3.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)摘要针对一城际铁路由于侧向堆载而使桥墩产生侧向变形的案例，利用三维有限元软件PLAXIS233D建立堆载-土-结构相互作用有限元模型，并通过离心机试验与现场实测结果加以验证，从而分析侧向堆载作用下桩与土的沉降、变形及桩身弯矩、轴力分布规律。首先建立了桩与承

2、台铰接、固接的2种模型，计算得出2种工况下桩的受力与变形，现场实测墩顶中心侧向位移介于二者之间。其次分别建立桩端自由与桩端固定情况的桩基模型，计算结果表明2种情况下承台倾斜方向相反。最后对该客专高架桥桩基进行抗弯承载力检算，推断该处桩已经发生剪切破坏，并给出了不同堆载高度下堆载的安全距离。关键词高速铁路;侧向堆载;三维有限元分析;群桩基础;侧向变形位于软土地基中的高架桥梁，常常由于施工期间堆载、填土或使用期间大面积填土而引发桥梁地基土变形，从而导致桩基础变形，并威胁到桥梁上部结构安全。侧向堆载不仅会导致桩周土体沉降、桩基产生负摩阻力

3、、桩的竖向荷载增加并引起基础不均匀沉降，而且由堆载引起土体的侧向变形会对邻近桩基础施加水平荷载，导致桩基出现侧向位移和挠曲变形。因此，有必要对在侧向堆载作用下的高架桥桩基础沉降及变形规律进行研究，为今后高架桥的侧向变形控制以及桩基础设计和施工提供理论依据。受侧向堆载作用的桩属于被动桩。国内外关于被动桩已有不少研究，主要采用现场试验、理论分析、离心机模型试验、有限元分析等方法。理论分析通常采用基于土压力的方法和基于土位移的方法。基于土压力的方法［1-3］通过假定桩身土压力分布形式来确定桩身最大弯矩和桩身位移。基于土位移的方法［4］通过

4、输入土的位移来计算桩的侧向位移与桩身弯矩分布。23随着试验技术的发展，越来越多研究采用离心机模型试验和有限元分析方法。离心机模型试验中土性是可以控制的，并且能安装比现场测试更多的仪器来获取试验数据。文献［3］通过大量有关软土地基中邻近路堤超载对桥台桩产生的侧向荷载的离心机模型试验，研究不同几何尺寸的群桩和桩帽条件的影响，还利用了二维有限元模拟离心机试验。模拟时将一排桩用板桩墙替代，刚度取桩与桩间土的平均值。但板桩墙中的土和桩的相对位移是无法模拟的。文献［5］应用离心机模型试验研究了软土中短期和长期侧向堆载作用下群桩的性状，指示在堆载

5、刚完成时桩处于最危险的状态。由于二维有限元无法很好地模拟桩土间的相对位移，文献［6］在二维平面应变有限元分析中使用“连接单元”考虑桩土相对位移的三维效应。文献［7］建立三维有限元模型，利用非线性的应力历史相关的本构模型来描述黏土的性状，得到堆载大小、桩土相对位移与桩身所受侧向土压力的关系。文献［8］利用离心机模型试验研究了堆载作用下邻近端承桩基的时间相关响应性状，分析了桩身位移和弯矩，并用参数α表示堆载大小与桩身所受平均侧向土压力的线性关系。文献［9］以离心机模型试验数据和现场实测数据为参考，建立二维有限元模型分析土层性质、桩顶约束

6、条件、土体固结程度对桩身侧向土压力的影响。文献［10］使用三维有限元分析软件PLAXIS233D建立了软土桩基全高度桥台数值模型，得到超静孔压、土的竖向和水平位移、桩的位移和弯矩，能与离心机模型试验数据较好地吻合。国内，文献［11］对地面堆载作用下邻近的桩基性态进行二维有限元分析，研究了堆载荷载大小与作用位置、土层条件、桩身约束条件对桩的性状的影响;文献［12］采用三维有限差分软件模拟桩间土拱效应的形成过程，发现三维数值模型中的桩周土体应力比二维数值模型要小;文献［13］采用三维有限元分析方法，建立了较复杂多层土模型，桩土界面采用共

7、节点的做法，研究浅层土体弹性模量和桩身刚度对桩侧向位移的影响。在实际的工程施工中，由于对地面堆载问题的重视和监管不够，堆载面积、距离和高度难以控制，往往会引发不少工程问题。本文结合一城际铁路特大桥桥墩偏移的实例，利用PLAXIS3D建立高速铁路桥梁墩台、桩基础及地基土相互作用的有限元模型分析侧向堆载作用下桩基础的受力、变形特性。1工程概况一城际铁路特大桥0#～16#墩途径地形平坦的菜地及藕塘。地表层为2m左右的杂填土，其下为10～13m厚的流塑状淤泥质黏土，再下层为5～9m的可塑状粉质黏土，再下层为约13m厚强风化粉砂质泥岩，下伏弱

8、风化粉砂质泥岩。10#墩处土层基本参数见表1。墩台采用8根直径1.0m的桩基础，按摩擦桩设计，桩长34m。桩基础横向桩间距2.7m，纵向桩间距3.0m。承台为10.2m(长)×5.1m(宽)×2.023m(高)的矩形承台。桥梁为预制简