王鳴宇

（中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司上海分公司，上海200030）

1 引言

隨著我國基礎(chǔ)交通網(wǎng)的完善，公路與城市橋梁工程的建設(shè)規(guī)模日益擴大，施工質(zhì)量控制也更加嚴格。樁基礎(chǔ)由于承載性能較好，在橋梁基礎(chǔ)工程中得到了廣泛的應用。但是，樁基礎(chǔ)在穿過軟弱土層時，受到大面積堆載、地下水下降等因素的影響，非常容易出現(xiàn)負摩阻力，從而降低樁基礎(chǔ)的承載能力，對橋梁工程的安全性產(chǎn)生較大隱患。鑒于此，許多學者也通過現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬等手段來研究了軟土地基樁基負摩阻力的計算，并提出一些有價值的研究成果，如田兆陽[1]利用OpenSees有限元平臺研究了地震加速度對軟土地基樁基礎(chǔ)負摩阻力的分布形態(tài)，并對中性點位置進行了研究；楊曉美[2]分析了沿海地區(qū)軟土的工程特性，并依托某工程橋梁，探討了軟土強度參數(shù)和彈性模量對樁基礎(chǔ)負摩阻力的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上對樁基的樁徑和樁長進行了優(yōu)化，取得了很好的經(jīng)濟效益。因此，研究軟土地基樁側(cè)摩阻力具有十分重要的工程意義。

2 軟土地基樁側(cè)負摩阻力的產(chǎn)生機理及特性

2.1 負摩阻力的產(chǎn)生機理

一般情況下，樁基礎(chǔ)在受到上部結(jié)構(gòu)等傳來的豎向力后，存在向下位移的趨勢，樁側(cè)土對樁基礎(chǔ)產(chǎn)生1個向上的正摩阻力。如果橋梁樁基礎(chǔ)穿過壓縮性較高的軟弱土層時，在地表荷載、地下水下降、土層固結(jié)度不足等因素的影響下，軟弱土層會產(chǎn)生較大沉降（大于樁基礎(chǔ)本身位移），則樁基礎(chǔ)相對于周圍巖土體的位移將是向上的，土層對樁側(cè)產(chǎn)生的摩阻力是向下的，此時摩阻力稱之為負摩阻力，它可等效于作用在樁基礎(chǔ)上的向下附加荷載，將降低樁基礎(chǔ)的承載能力。

綜上，軟土地基樁側(cè)產(chǎn)生負摩阻力的原因可能包括以下幾個方面[3]：（1）橋臺填土質(zhì)量大或橋下大面積堆截，增加軟弱土層中的附加應力；（2）地下水位的下降也會引起樁側(cè)土體自重應力增加；（3）樁基礎(chǔ)施工期間周圍土體被擾動，使其發(fā)生再固結(jié)；（4）距離樁基較近的構(gòu)造物或建筑物向樁側(cè)土體中傳遞了較大的附加應力。

2.2 中性點位置計算

“中性點”的位置直接關(guān)系到軟土地基樁側(cè)負摩阻力的大小和分布規(guī)律。橋梁樁基中性點指的是摩阻力等于0的位置，此時樁基礎(chǔ)與周圍的位移速度相同，不存在相互運動發(fā)生位移的趨勢。并且在中性點所在的斷面處，樁基軸向力達到最大。中性點位置和樁基礎(chǔ)周圍土體性質(zhì)、樁基礎(chǔ)自身剛度、持力層剛度等因素密切相關(guān)，工程中確定中性點具體位置時有2種方法：一種是根據(jù)持力層巖土性質(zhì)確定中性點深度比值，其中，黏性土、粉土取0.5～0.6，中密以上砂取0.7～0.8，礫石、卵石取0.9，基巖取1.0；另一種是按照樁基礎(chǔ)的承載類型來預估中性點深度比值，其中，摩擦樁取0.7～0.8，端承樁取1.0。

2.3 負摩阻力的時間特性

軟土具有一定的流變性和觸變性，使得樁基礎(chǔ)在運營期間存在一定的時間效應，如隨著沉樁期間土體超孔隙水壓力消散，樁基周圍土的自重應力不斷增加，沉降速度加快。相關(guān)研究表明，軟土地基樁側(cè)負摩阻力存在時間的長短受樁側(cè)土體固結(jié)完成時間的影響，土的滲透系數(shù)越小，負摩阻力達到最大值的時間越長。

3 軟土地基樁側(cè)負摩阻力計算方法分析

3.1 荷載傳遞法

荷載傳遞法先將橋梁樁基礎(chǔ)劃分成若干個相互耦合的彈性單元，各單元和土體間均采用非線性彈簧聯(lián)系，以反映樁側(cè)阻力和剪切位移的關(guān)系。該方法在樁基礎(chǔ)上任取一單元，均處于靜力平衡狀態(tài)，見式（1）：

式中，Pz為樁基礎(chǔ)軸力，kN；τz為樁側(cè)摩阻力，kPa；U為樁基礎(chǔ)周長，m；z為埋置深度，m。

同時，隨著樁基礎(chǔ)埋置深度z的增加，各單元彈性模型逐漸減小，兩者之間的關(guān)系可表示為式（2）：

式中，Ep為樁單元彈性模型，MPa；A為樁基礎(chǔ)截面積，m2；w為樁單元在深度z處豎向位移，m。

將上述兩式聯(lián)合求解，可得到軟土地基樁側(cè)負摩阻力：

荷載傳遞法計算簡單，能很好地反映軟土地層和樁基礎(chǔ)的非線性變形特性[4]，但無法考慮群樁基礎(chǔ)中不同樁基間的相互干擾。

3.2 有效應力法

有效應力法也稱β法，其中，β是有效應力系數(shù)，反映靜止土壓力系數(shù)和界面摩擦角對樁側(cè)摩阻力的干擾，取值可參考表1。該方法是基于樁側(cè)土的抗剪強度，認為樁土間的負摩阻力受樁側(cè)土的有效應力影響，此，時樁側(cè)負摩阻力的表達式為[5]：

表1 有效應力系數(shù)參考值

式中，f為樁側(cè)負摩阻力，kPa；K0為靜止土壓力系數(shù)；φa為樁土界面摩擦角，（°）；σv為豎向有效應力，kPa。

3.3 數(shù)值計算法

近年來，數(shù)值計算法在巖土計算領(lǐng)域的應用日益普遍，常見的分析方法包括有限元法、有限差分法、離散元法、邊界元法、流形元法等，其中，有限元法的應用范圍最廣。有限元法用于分析軟土地區(qū)橋梁樁基的負摩阻力時，可以將樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性與負摩阻力的分布緊密聯(lián)系，能更好地分析橋梁樁基礎(chǔ)發(fā)生變形破壞的機理。

4 軟土地基樁側(cè)負摩阻力數(shù)值分析

樁徑是影響軟土地基樁側(cè)摩阻力的關(guān)鍵因素之一。筆者擬依托某城市主干路橋梁項目，利用有限差分軟件FLAC 3D建立二維平面模型，分析不同樁徑下軟土地基樁側(cè)負摩阻力分布形態(tài)及變化規(guī)律。

4.1 工程概況

以某軟土區(qū)域橋梁工程為研究對象分析樁側(cè)摩阻力變化規(guī)律，道路等級為城市主干路，設(shè)計速度為60 km/h，設(shè)計荷載為城-A級。橋梁工程上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆預應力混凝土連續(xù)梁等，橋墩為柱式墩，基礎(chǔ)擬采用嵌巖圓樁，計算樁徑分別取0.6 m、1 m、1.4 m、1.8 m。樁基礎(chǔ)穿過軟弱土層到達持力層，無巖溶、濕陷性黃土等其他特殊地質(zhì)。

4.2 軟土地基樁基礎(chǔ)計算模型

1）材料本構(gòu)

選擇四節(jié)點的實體單元來模擬軟土這類彈塑性變形介質(zhì)，同時，忽略軟土中的流固耦合效應，屈服準則采用M-C本構(gòu)模型。M-C本構(gòu)模型計算參數(shù)簡單，只需輸入軟土的黏聚力和內(nèi)摩擦角，計算結(jié)果偏安全,在橋梁工程計算中得到了廣泛應用。樁基礎(chǔ)可視為彈性變形介質(zhì)，可用彈性梁單元來模擬，需要輸入的參數(shù)有彈性模量、截面慣性矩等。

2）網(wǎng)格劃分

由于網(wǎng)格大小和網(wǎng)格數(shù)量對軟土地基樁基摩阻力計算結(jié)果影響較大，在確保樁基摩阻力計算精度和計算速度的前提下，樁-土模型的網(wǎng)格不進行加密處理，樁基礎(chǔ)及周圍土體的網(wǎng)格尺寸均取0.3 m，樁土接觸面采用interface單元，最終共劃分出單元1 258個，節(jié)點2 028個，如圖1所示。

圖1 樁-土有限元模型

3）約束條件

由于地下水位較低，對橋梁樁基摩阻力影響較小，可忽略不計，此時軟土底部可設(shè)為不透水邊界，并對其X方向、Y方向、Z方向完全約束；軟土頂面屬于自由邊界條件，可發(fā)生豎向壓縮和水平位移，且樁基礎(chǔ)與周圍土體之間的接觸為完全耦合接觸；對樁基礎(chǔ)X方向約束，只產(chǎn)生豎向壓縮變形。

4.3 樁側(cè)摩阻力計算結(jié)果分析

1）不同樁徑下樁側(cè)摩阻力分布形態(tài)

計算樁側(cè)負摩阻力時，僅調(diào)整控制樁徑，其余參數(shù)如樁長、樁基彈性模量不變。計算結(jié)果表明：各樁基礎(chǔ)均出現(xiàn)負摩阻力，且不同樁徑的基礎(chǔ)負摩阻力分布形態(tài)基本保持一致，即隨著樁基深度的增加，樁側(cè)摩阻力先增加后降低。在樁基深度為6 m時，樁側(cè)摩阻力達到了最大。當樁基深度＞6 m時，各樁基礎(chǔ)的負摩阻力迅速減小，但減小速率并不相同，對樁徑越大的基礎(chǔ)，負摩阻力減小速率越快。同時，當樁基礎(chǔ)深度超過9 m時，各樁徑的樁基礎(chǔ)摩阻力約等于0，可認為9 m位置時樁基礎(chǔ)的中性點。

2）不同樁徑下樁側(cè)摩阻力大小

通過FLAC 3D計算出的樁側(cè)負摩阻力經(jīng)后處理得到如圖2所示的結(jié)果。

圖2 樁側(cè)負摩阻力與樁徑關(guān)系

由圖2可知，樁基礎(chǔ)中心點以上的負摩阻力與樁徑正相關(guān)，且隨著樁徑的增長，負摩阻力增長的速度越來越快，如果樁徑超過1.4 m，樁側(cè)各點負摩阻力迅速增加。當樁徑從0.6 m提高至1.8 m，0.5 m、2 m、4 m、6 m、8 m位置處的負摩阻力增長率分別達到了114.3%、115.2%、130.7%、123.3%、150%。

5 結(jié)論

在分析軟土地基樁側(cè)負摩阻力產(chǎn)生機理和時間特性的基礎(chǔ)上，分析了負摩阻力的計算方法，并利用數(shù)值模擬軟件FLAC 3D探討了樁徑對樁側(cè)負摩阻力分布形態(tài)的影響，主要得到以下幾個方面的結(jié)論：

1）軟土地基樁側(cè)負摩阻力產(chǎn)生原因有地表堆載、地下水下降、土層固結(jié)度不足等；

2）樁基負摩阻力具有一定的時間效應，可視作施加在樁基礎(chǔ)上的附加荷載，會降低樁基礎(chǔ)承載能力；

3）軟土地基樁側(cè)摩阻力計算可采用荷載傳遞法、有效應力法、數(shù)值計算法等；

4）不同樁徑的樁基礎(chǔ)負摩阻力均隨著樁基深度的增加先增加后減少的趨勢，且樁徑越大，負摩阻力減小速率越快。