桩基础极限承载与破坏特征研究

周国友¹，夏岸雄²，何义军¹

湖北交投燕矶长江大桥有限公司¹；湖北省交通规划设计院股份有限公司²

内容摘要：现阶段，在断裂带内进行大型桥墩基础施工的情况不多，断裂带附近岩石强度普遍不高、地质环境较为复杂，不同岩性物理力学特性存在显著差异，导致桥墩基础施工稳定性较差，对桥墩基础施工质量存在较严重的影响。现就燕矶长江大桥南岸桥墩基础桩基础极限承载与破坏特征进行研究，得出南塔桩基础在襄樊-广济断裂带内稳定性的研究结果。

关键词：极限承载 破坏特征 糜棱岩 压应力

中图分类号：U441

襄樊～广济（襄广）断层内岩性主要为糜棱岩、构造角砾岩、灰岩、泥岩、砂岩，其中糜棱岩为极软岩，遇水易软化，构造角砾岩为软岩～较软岩，胶结较差，灰岩为较硬岩，断层影响带内岩性分布不均，强度相差较大。本文重点研究超载条件下灰岩与糜棱岩之间的相对滑移特征、灰岩的稳定性及超载条件下桩底糜棱岩的破坏特征。由于断裂带内不同岩层的深度和延伸范围难以精确确定，本章选取两个典型剖面对桩基础及围岩稳定性进行二维模拟与研究。

一、超载条件下，假设最不利地质情况下的基础稳定性

因无法确定灰岩向深部的延伸范围，考虑灰岩与糜棱岩镶嵌关系，为验证灰岩在荷载作用下是否存在与糜棱岩之间的相对滑移以及灰岩自身是否可能存在偏移、旋转的问题，在数值仿真时，考虑最不利组合位置剖面，即灰岩在深度方向只延伸70m，四周被糜棱岩包围。

根据桩基础定位，考虑桩岩之间最不利的相互作用及灰岩与糜棱岩地层界面上的摩擦作用，通过超载计算的方法，研究桥梁荷载作用下，桩基础及围岩的变形、受力和破坏特征，以获得桥梁极限荷载倍数。

1.桩基础及围岩变形分析

本节研究桩基础及围岩稳定性，主要考虑的工况有：桩基础受正常桥梁设计荷载、2倍、3倍、4倍桥梁设计荷载作用。

从桩基础及围岩在不同荷载作用下塑性区分，可以看出桩基础在正常设计荷载作用下，塑性区主要分布在桩底围岩部分区域，随着荷载增加达到3～4倍桥梁设计荷载时，桩底塑性区逐渐贯通，最终形成一个“X”形的剪切破坏区域，说明桩基础在受到3～4倍桥梁荷载作用时，底部围岩会发生失稳破坏，形成一个剪切破坏带。但是糜棱岩和灰岩的交界面并没有出现大的破坏区，说明即使在4倍桥梁荷载作用下，灰岩也不会发生破裂和转动的现象。不同桥梁荷载条件下，桩基础及围岩整体呈现出沉降变形，最大沉降变形达到6.5cm，出现在糜棱岩与桩基础接触的区域中，承台顶面产生了约为1.1cm的差异沉降，形成0.3‰的倾斜率。不同超载情况下，根据承台左右角的沉降变形随超载倍数的变化曲线，可以得出，在3～4倍超载之间出现变形量的突增现象，因此初步确定桩基础稳定的极限荷载为3.3倍正常设计荷载。

2.桩基础及围岩受力分析

不同桥梁荷载作用下，根据桩基础及围岩的竖向应力分布，可以得出，整个桩体及围岩基本处于受压状态，由于桥梁荷载通过桩基础传递至围岩中，桩底围岩出现一定的应力集中现象，正常荷载作用下最大压应力达到6MPa，桩身压应力最大值位于接近桩底部位，达到约20MPa，不会导致桩身混凝土的破坏。随着荷载增加，桩底围岩中压应力集中区域范围增大，桩身应力集中区域逐渐向上偏移，4倍荷载条件下应力最大值集中于与承台接触的桩身处，即桩身局部受力可能达到桩体混凝土强度。

   二、超载条件下，墩座典型剖面基础稳定性

1.桩基础及围岩变形分析

考虑地层分布复杂性与差异性，以及桩基础穿越的地层岩性可能存在较大的变异性，上节讨论了最不利桩岩相对位置时的围岩稳定性，为与三维数值分析结果形成对照验证，本节在现桩位条件下，选取三维地质模型中顺桥向剖面对受到不同桥梁荷载的桩基础及其围岩稳定性进行分析。根据不同桥梁荷载作用下，桩基围岩塑性区分布情况，可以发现，塑性区主要集中在桩底，随荷载增加，塑性区范围逐渐扩大，但是并未形成剪切破坏带，说明在3～4倍荷载条件下，桩基围岩保持相对稳定未形成贯通的剪切破坏区域，只是在灰岩与糜棱岩界面上存在塑性区增大倾向。说明即使在4倍桥梁荷载作用下，灰岩也不会发生破裂和转动的现象。桩基及围岩变形云图中，围岩变形以沉降变形为主，沉降较大的区域为桩岩接触区域，正常桥梁荷载下最大沉降达到8.5cm，承台顶面左右角沉降变形分别为7.6cm，8.5cm，产生9mm的差异沉降，形成0.2‰的倾斜率，在不同超载情况下，由承台左右角的沉降变形随超载倍数的变化曲线可以得出，实际桩位处典型剖面围岩稳定性在3～4倍超载之间未出现变形量的突增现象，在5～6倍超载条件下变形量有突然增大的趋势，因此初步确定桩基础稳定的极限荷载为5.5倍正常设计荷载。

2.桩基础及围岩受力分析

在不同桥梁荷载作用下，桩基础及围岩的竖向应力分析中可以得出，整个桩体及围岩基本处于受压状态，由于桥梁荷载通过桩基础传递至围岩中，桩底围岩出现一定的应力集中现象，正常荷载作用下最大压应力达到

10.5MPa，桩身压应力最大值位于糜棱岩与灰岩接触的桩体部分，达到约15MPa，不会导致桩身混凝土的破坏。随着荷载增加，桩底围岩中压应力集中区域范围增大，桩身应力集中区域逐渐向上偏移，4倍荷载条件下应力最大值集中于与承台相接触的桩身处，4倍荷载条件下达到约23MPa，未超过桩体混凝土强度，因此，在4倍超载条件下桩基础仍旧处于相对稳定的状态。

三、结论

（1）假设最不利组合位置剖面中桩基础在受到3～4 倍桥梁荷载作用时，底部围岩会发生失稳破坏，形成一个“X”形剪切破坏带，而即使在4倍桥梁荷载作用下，灰岩也不会发生破裂和转动的现象。典型剖面的塑性区主要集中在桩底，随荷载增加，塑性区范围逐渐扩大，但是并未形成剪切破坏带，说明在3～4倍荷载条件下，桩基围岩保持相对稳定未形成贯通的剪切破坏区域，只是在灰岩与糜棱岩界面上存在塑性区增大倾向。说明即使在4倍桥梁荷载作用下，灰岩也不会发生破裂和转动的现象。

（2）假设最不利组合位置剖面（200m×156m）中，正常桥梁设计荷载作用下，承台产生了约为1.1cm的差异沉降，形成0.3‰的倾斜率。

（3）墩座典型剖面（280m×170m）中正常桥梁设计荷载下最大沉降达到8.5cm，承台顶面左右角沉降变形分别为7.6cm，8.5cm，产生9mm的差异沉降，形成0.2‰的倾斜率。

（4）不同桥梁荷载作用下，整个桩体及围岩基本处于受压状态，桩底围岩出现一定的应力集中现象，两种不同剖面模型中，正常荷载作用下围岩最大压应力分别达到6MPa、10.5MPa。假设最不利组合位置剖面模型中桩身压应力最大值位于接近桩底部位，达到约20MPa，不会导致桩身混凝土的破坏。随着荷载增加，桩底围岩中压应力集中区域范围增大，桩身应力集中区域逐渐向上偏移，4倍荷载条件下应力最大值集中于与承台接触的桩身处，即桩身局部受力可能达到桩体混凝土强度。典型剖面模型中桩身压应力最大值位于糜棱岩与灰岩接触的桩体部分，达到约15MPa，不会导致桩身混凝土的破坏。随着荷载增加，桩底围岩中压应力集中区域范围增大，桩身应力集中区域逐渐向上偏移，4倍荷载条件下应力最大值集中于与承台相接触的桩身处，4倍荷载条件下达到约23MPa，未超过桩体混凝土强度，因此，在4倍超载条件下桩基础仍旧处于相对稳定的状态。

参考文献：

[1]侯启东.竖向荷载作用下桥梁桩基础承载特性分析[D]. 西安工业大学，2020.

[2]高晋明.基于FLAC3D的大直径桩基群桩效应研究[D]. 西安： 长安大学，2019.

[3]闫坤.竖向荷载作用下小间距摩擦型群桩基础承载特性分析[D]. 西安：长安大学，2017.

[4]赵建锋，杜修力.地基阻抗力时域递归参数的计算方法及程序实现[J].岩土工程学报，2008，30(1)：34-40.

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