桥梁桩基群桩效应分析

孟媛媛

（苏州绕城高速公路有限公司，江苏 苏州215007）

1 引言

20世纪90年代，我国开始了对桥梁桩基进行研究，通过相关学者的分析，主要取得了以下方面的成果。刘金砺[1]通过群桩试验表明了竖向力作用下的群桩效应，对群桩设计中的问题进行了分析。陈鹏[2]通过对群桩效应进行模拟，分析了不同工况下单桩基础和群桩基础的工作状态，以及桩侧阻力和桩端阻力的群桩效应。我国相关学者通过不同的方法对桥梁的桩基进行了分析研究，但是由于结构基础的稳定性不足，斜坡对桩基的影响程度不同，相关分析并不完善，理论并未形成体系[3]。因此，本文对桥梁桩基群桩效应进行了进一步分析。

2 案例分析

2.1 工程概况

本文所依托工程为某地区的高速公路桥梁工程。桩基位置的斜坡主要为粉砂质泥岩和低液限黏土。场区的基岩处于强风化状态，该处斜坡高度为25 m，坡长40 m，坡角为30°。坡体前缘为群桩基础，布置形式为3排×3列对称布置。桩长为20 m，桩基截面尺寸为1.0 m×1.0 m。通过对地面勘察表明：坡体土的黏聚力为20 kPa，内摩擦角为32°，土的重度为18.2 kN/m3，基桩的抗弯刚度取值为2.0×106kN·m2,工程概况图如图1所示。

图1 工程概况图（单位：m）

2.2 群桩基础设置

项目桩基由9根基础组成，3根一排等间距分布，桩长为20 m，截面尺寸为1 m×1 m。基岩以上桩长为10 m。土体的覆盖层参数取值为：黏聚力取值20 kPa，内摩擦角取值32°，重度取值18.2 kN/m。

3 理论计算分析

基岩上覆盖土体的坡体，易在接触面形成滑动面。本文进行理论分析时，设定安全系数为1.25，通过传递系数法对滑坡推力进行计算为1 300 kN/m，然后换算为均布荷载为1 040 kN/m。为简化计算，减少其他因素的影响，对后排、中排桩前侧抗力，中排、前排桩后侧推力进行忽略。桩基前的坡度为30°，通过计算可知，地基系数的比例系数取值为5 000 kN/m4。

3.1 桩顶无荷载

桩顶无荷载时，桩基受力主要为后侧土体的侧向压力（即滑坡推力）。桩基受力模型如图2所示。

图2 桩基受力理论计算分析模型（桩顶无荷载）

通过进行理论计算，得到3排桩体的位移、转角、弯矩、剪力变化如下：

桩顶无荷载时，3排桩的桩顶位移均为10.6 mm。前排桩水平位移随深度变化而减小，且水平位移的变化趋势为非线性变化。中排桩同样出现该变化趋势。后排桩深在0~6 m范围内，水平位移出现增大现象，桩深大于6 m时，同样表现为非线性减小。通过对各排桩的位移变化规律进行分析可知，在侧向土压力作用下，3排桩的位移量变化规律为后排桩＞中排桩＞前排桩。

通过对3排桩的转角进行分析可知，桩顶处均不发生转角。后排桩在桩顶以下0~6 m范围内，出现转角反弯。3排桩的转角变化规律为：后排桩＞中排桩＞前排桩。每排桩转角的最大值均出现在滑面位置。后排桩的最大转角为-1.71×10-3rad；中排桩的最大转角为-1.13×10-3rad；前排桩的最大转角为-0.89×10-3rad。

通过对3排桩的弯矩进行分析可知：后排桩＞中排桩＞前排桩。前排桩的桩顶弯矩为13 159 kN·m，中排桩的桩顶弯矩为-2 631.8 kN·m，后排桩的桩顶弯矩为-10 527.2 kN·m。因群桩受力平衡，因此，各排桩的弯矩和为0。每排桩的弯矩极值出现在桩深为8 m和13 m的位置。

通过对3排桩的剪力进行分析可知：后排桩＞中排桩＞前排桩。前排桩的桩顶剪力为-4 083.8 kN，中排桩的桩顶剪力为816.6 kN，后排桩的桩顶弯矩为3 266.9 kN·m。由于土侧压力会对桩基产生剪切作用，因此，3排桩的最大剪力出现在滑动面处，前排桩最大剪力为5 788.6 kN，中排桩最大剪力为2 916.9 kN，后排桩最大剪力为1 481 kN。

3.2 承台顶面有荷载

滑动面以上土侧压力均布情况为q=1 040 kN/m，桥墩对承台的荷载Q为1 500 kN，方向为水平向右。弯矩M大小为10 000 kN·m，沿顺时针方向。竖向荷载N为60 000 kN，垂直于承台向下。桩基受力理论计算分析模型，如图3所示。

图3 桩基受力理论计算分析模型（桩顶无荷载）

通过理论计算，对3排桩体的位移、转角、弯矩、剪力变化进行说明。具体变化情况如下：

通过对3排桩的位移进行分析可知，桩顶水平荷载为1 500 kN时，3排桩的桩顶位移均为13.4 mm。前排桩水平位移随深度变化而减小，且水平位移的变化趋势为非线性变化。中排桩同样出现该变化趋势。后排桩深在0~6 m范围内，水平位移出现增大现象，桩深大于6 m时，同样表现为非线性减小。通过对各排桩的位移变化规律进行分析可知：在侧向土压力作用下，3排桩的位移量变化规律为后排桩＞中排桩＞前排桩。

通过对3排桩的转角进行分析可知，桩顶处均不发生转角。后排桩在桩顶以下0~6 m范围内，出现转角反弯。3排桩的转角变化规律为：后排桩＞中排桩＞前排桩。每排桩转角的最大值均出现在滑面位置。后排桩的最大转角为-1.86×10-3rad；中排桩的最大转角为-1.30×10-3rad；前排桩的最大转角为-1.10×10-3rad。

通过对3排桩的弯矩进行分析可知，后排桩桩顶处的弯矩值为-13 455.6 kN·m；中排桩桩顶处的弯矩值为-5 863.9 kN·m；前排桩的桩顶弯矩值为9 319.6 kN·m。3排桩在桩顶处的弯矩和为10 000 kN。3排桩的反弯点均出现在桩深为8 m和桩深为13 m处。

通过对3排桩的剪力进行分析可知：3排桩的剪力大小分布情况为后排桩＞中排桩＞前排桩。前排桩桩顶处的剪力为-4 083.8 kN；中排桩桩顶剪力为816.6 kN；后排桩桩顶剪力为3 266.9 kN。由于桩体处于平衡状态，因此，3排桩在桩顶处的剪力和为零。通过进行分析可知，剪力最大值发生于滑动面处。

3.3 对比分析

桩顶在有荷载作用和无荷载作用时，内力变化情况不同。通过对2种情况下的位移、转角、弯矩、剪力和轴力进行对比结果如下：桩顶荷载作用下，前排桩的侧向位移以及转角值变化较为明显。桩身弯矩、剪力变化程度较小。施加荷载后，桩顶位移增加量为3.24 mm，随着桩深增加，位移增量逐渐减小。通过对数值进行分析可知，施加荷载前后，转角变化量较小，转角最大值发生范围为0~6 m。在桩顶施加荷载前后，桩身弯矩差值和剪力差值均较小。桩顶施加水平荷载后，桩身出现明显的轴力变化。

综上所述，桩顶施加荷载后，轴力出现明显变化。各排桩的剪力和弯矩也发生变化，随着桩深增加，影响程度减小，达到一定深度后，结构内力将不受桩顶荷载影响。

4 数值模拟分析

通过对图2进行分析来建立数值模型，沿道路方向取值为10 m，上边界为自由边界，底部为固定边界，对两侧的水平位移进行限制，计算参数如表1所示。

表1 计算参数选取表

4.1 桩土变形分析

边坡最大位移出现在滑体中部位置，坡体前端设有群桩基础，对坡体的滑动起到了约束[4]。通过模型分析可以看出：滑面处的剪应力数值较大，从中部到桩基作用位置剪应力值表现为逐渐减小的趋势。边坡的塑性区存在滑面和坡面位置，且桩基位置的塑性区域未贯通[5]。说明桩基对土体达到了预期加固效果。通过对桩基的位移分析可知，后排桩位移变化量＞中排桩位移变化量＞前排桩位移变化量[6]。

4.2 结构内力计算分析

4.2.1 桩顶无荷载

当桩顶没有荷载作用时，3排桩的弯矩变化为：后排桩弯矩＞中排桩弯矩＞前排桩弯矩，通过对计算结果进行分析可以看出，桩基在长为4~9 m和12~14 m处出现了反弯现象，且数据的极值点在桩长为6 m和13 m位置处。桩基剪力变化规律为：后排桩剪力＞中排桩剪力＞前排桩剪力，且桩基在长为14~18 m出现反弯现象。

4.2.2 承台顶面有荷载

桩顶承台荷载设置。水平荷载：1 500 kN，水平向右；桩顶弯矩：顺时针方向，大小为10 000 kN·m；竖向荷载：垂直向下，大小为60 000 kN。通过以上条件设置，对桩基进行数值模拟分析，来计算各排桩的弯矩和剪力，桩基荷载布置如图3所示。

通过对桩基进行模拟分析计算可知，桩顶施加荷载后，桩身的弯矩和剪力的数值变化较小，但桩顶处的变化较大。桩基在长为4~9 m和12~14 m处出现了弯矩反弯现象，且数据的极值点在桩长为6 m和13 m位置处。桩基剪力变化规律为：相比于桩顶无荷载作用时，前桩、中桩和后桩3桩的剪力均增大，且桩基在长为14~18 m范围内出现反弯现象，滑动面附近出现最大剪力值。

4.2.3 对比分析

设置2种工况：一种为桩顶无荷载，一种为桩顶有荷载。分别对2种工况下的桩身弯矩、剪力、位移、转角以及轴力进行分析，得到以下结果：

1）弯矩变化：桩顶施加荷载后，弯矩有所增加，其增加值为7.4×103kN·m，随着桩身增加，2种工况下的弯矩差值越来越小，桩长为6 m时，弯矩差为0。当桩长范围为11~16 m时，桩顶有荷载作用的弯矩值大于无荷载作用的弯矩值，但二者差值较小，可忽略。

2）剪力变化：桩顶施加荷载后，剪力有所降低，其减少值为2.26×103kN，随着桩身增加，2种工况下的弯矩差值越来越小，桩长为10 m时，弯矩差为0。当桩长范围为14~18 m时，桩顶有荷载作用的剪力值大于无荷载作用的剪力值。

5 理论计算与数值模拟对比分析

5.1 桩顶无荷载

桩顶的承台上没有作用荷载时，通过2种方法计算得到的桩身弯矩和剪力近似相同，但桩顶处的弯矩和剪力差值较大；当桩深为6~10 m时，桩身弯矩数值模拟结果大于理论计算结果；桩深大于14 m时，二者无差别。2种计算结果桩顶处的剪力存在较大差异，随着桩深增加，差异值减小。2种方法的共同点为剪力最大值发生于滑动面处。

5.2 桩顶有荷载

当承台作用荷载时，2种方法的计算结果如下：桩顶处数值模拟得到的弯矩为负值，随着桩深增加，弯矩值变化较为平缓。理论计算得到的弯矩为正值，变化趋势与数值模拟相同。在桩深为12 m时，2种计算结果均出现弯矩反弯的现象。2种计算结果的剪力最大值发生在滑动面位置处，但桩顶剪力存在较大差别，随着桩深增加，差值逐渐减小。

5.3 误差分析

通过对2种计算结果进行分析可知，剪力、弯矩的变化趋势相近，主要差别在于桩顶处。出现这种现象的主要原因是：计算前对桩体的受力情况进行了简化，认为承台为刚体，受力过程中仅发生水平位移，忽略了竖向位移和转角。简化过程中还认为后排桩主要承担滑坡推力，这2种情况与实际情况有所偏差，因此会出现内力变化差别。

5 结语

本文通过对桥梁群桩基础进行分析后得出以下结论：

1）通过对群桩基础进行理论计算可知，桩顶无荷载时，在滑坡推力的作用下，3排桩的受力情况为：后排桩＞中排桩＞前排桩。桩顶处的位移相同，且转角值为0，因此，承台变形只发生在水平方向。各排桩的轴力值较小，在对桩身弯矩和剪力进行分析时，可忽略不计。承台存在荷载时，各排桩的内力变形趋势相近。

2）依据实际工程对桥梁群桩基础进行了模拟分析，分别设置2种工况，一种为桩顶无荷载，一种为桩顶有荷载。通过对2种工况进行分析可知，二者的群桩基础变化规律相似，但数值存在偏差。桩顶荷载作用下，在一定桩长范围内，对桩身的内力和位移有显著影响；随着桩长的增加，影响程度越来越小，最终对计算结果的影响可忽略不计。

3）通过对以上2种分析方法进行比较，2种计算结果存在误差主要是因为理论计算前，对桩体结构进行了简化。