桥梁群桩基础计算方法研究

余舜

摘 要：山区道路修建过程中，桥梁桩基施工尤为重要。因为该结构受外力影响较大，主要受到桩顶转递的竖向荷载、斜坡对桩基的剪切作用。在稳定性不足地段还应设置群桩基础。因此文章针对群桩基础进行了以下内容分析：通过实际工程对群桩基础的理论计算结果和数值模拟结果进行了分析，并对两种方法的结果进行了比较，计算结果表明：理论计算结果较为保守。因此文章对该课题的研究提供了理论分析和参考。

关键词：桥梁桩基;竖向荷载;群桩基础;数值模拟

0 引言

十九世纪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]。因此该课题仍需要进一步分析，文章具有一定的意义。

1 案例分析

1.1 工程概况

文章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粘土。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3×3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：坡体土的粘聚力为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2.0×106 kN·m2，工程概况图如图1所示。

2 数值模拟分析

通过对上图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。模型共65 000个单元，50 000个节点。

2.1 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]。

2.2 结构内力计算分析

2.2.1 桩顶无荷载

当桩顶没有荷载作用时，三排桩的弯矩变化如下所示：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 m～9 m和12 m～14 m范围内出现了反弯现象，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 m～18 m范围内出现反弯现象。

2.2.2 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2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 m～9 m和12 m～14 m范围内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，三桩的剪力均增大，且桩基在长为14 m～18 m范围内出现反弯现象，滑动面附近出现最大剪力值。

2.2.3 对比分析

文章设置两种工况：一种为桩顶无荷载，一种为桩顶有荷载。分别对两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：

弯矩变化：桩顶施加荷载后，弯矩有所增加，其增加值为7.4×103 kN·m，随着桩身增加，两种工况下的弯矩差值越来越小，桩长为6 m时，弯矩差为零。当桩长范围为11 m～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。

剪力变化：桩顶施加荷载后，剪力有所降低，其减少值为2.26×103 kN，随着桩身增加，两种工况下的弯矩差值越来越小，桩长为10 m时，弯矩差为零。当桩长范围为14 m～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。

3 结语

本文通过对桥梁群桩基础进行分析得出以下结论：

文章依据实际工程对桥梁群桩基础进行了模拟分析，分别设置两种工况，一种为桩顶无荷载情况，一种为桩顶有荷载。通过对两种工况进行分析可知，二者的群桩基础变化规律形似，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应显著影响;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。

参考文献：

[1]劉金砺.滑坡内桥梁群桩基础和抗滑桩耦合作用机制的研究[D].西南交通大学，2019.

[2]陈鹏.浅埋盾构隧道近接桩基础渗流应力耦合安全性分析[J].公路工程，2019（4）：250-257.

[3]王旭东，郝宪武，吴文涛.黄土地区斜陡坡对群桩基础承载力的影响[J].沈阳大学学报（自然科学版），2019（4）：331-337.

[4]张阳春，李泽生，潘胜林，等.山区桥梁嵌岩桩受力特性数值分析研究[J].公路交通科技（应用技术版），2019（8）：163-165.

[5]董亮，苏永华，付蕾，等.地下水降低对高速铁路桥梁群桩基础的影响[J].中国铁道科学，2019（4）：1-9.

[6]方恺，左元龙.不同湿陷性黄土深度下的桥梁桩基承载力分析[J].湖南交通科技，2019（2）：123-125+141.