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刘细军 孟园英 黄学源 刘晓明

广州市高速公路有限公司 湖南中交京纬信息科技有限公司 北京中交京纬公路造价技术有限公司 湖南大学土木工程学院

摘 要：随着城区扩大，不少公路桥梁成为城市内部的高架桥，因而受到城市建设过程中的地表开挖影响。深厚软基地区的地表开挖可能会诱发邻近桥梁桩基产生水平移位甚至破坏。以广东省沿海某市跨越市政道路的机场高速公路高架桥偏位为例，通过数值模拟研究地表开挖对邻近超长桩柱式桥墩内力与变形的影响，揭示了软基开挖诱发邻近超长桥梁桩基偏位的力学机理和影响模式。在此基础上，详细分析开挖深度、软土弹性模量、软土深度、桩径等参数在开挖过程中对深厚软土区高架桥桩基的影响规律。根据分析结果对类似工程提出了一系列施工或设计的建议，以期为深厚软土地区的桥梁桩基保护提供借鉴经验。

关键词：桥梁桩基;软土;偏位;开挖;数值模拟;

我国沿海城市发展迅速，位于郊区的公路桥梁工程在数年内就可能成为城市内部的高架桥，开始受到城市基础设施建设的影响。然而沿海地区又普遍分布有深厚软土地层，例如在建的广东省南沙到中山的高速公路，穿越深度超过40 m的海陆交互沉积软土地区，全线采用了超长桩基的桥梁方案。滨海地区沉积的深厚软土具有天然含水率高、天然孔隙比大、压缩性高和抗剪强度低的特征，城市建设的填筑或开挖在桥梁下方的软土地层中进行，可引起邻近桥梁桩基产生变形，甚至导致桩基和上部结构的破坏，如何保护沿海深厚软土地区桥梁桩基不受城市建设影响，成为一个重要课题。

目前软土中不平衡推力诱发桥梁桩基偏位变形的研究主要集中在桥基邻近堆载方面，部分学者通过室内和现场试验对其进行了研究[1,2]。张浩等[3]针对某疏港高速公路互通区下行路基填筑引发跨线桥墩柱偏移、桥墩桩基桩身损伤等问题进行了分析。裴碧峰[4]根据福宁高速公路某特大桥桩基偏位实例开展理论计算，分析了基桩产生偏位的主要原因。梁治国等[5]、杜斌等[6]及马远刚等[7]提出可以采用卸载止推、反向堆载、挖坑卸荷、应力释放孔及水平加载等纠偏方法对基桩实施纠偏。部分学者也针对基坑工程对邻近桥梁桩基的影响展开了研究[8,9,10,11,12]。蒙健等[13]以昆明地区某污水处理厂基坑开挖为依托，通过监测数据分析与数值模拟相结合的手段对高架桥附近软土区基坑开挖变形特点进行研究，结果表明，软土区基坑大开挖位于5倍开挖深度范围外的高架桥位移明显；魏丽敏等[14]针对浙江省宁波北站工程，结合现场原型试验及数值分析对深厚软土地区无支护基坑开挖对邻近高铁桥梁桩基变形与内力的影响进行了分析，认为邻近开挖将劣化桩基工作性能，并探讨了不同开挖参数对临近软土地区桥梁桩身的影响规律；李梅华等[15]结合理论分析和数值模拟，对台州某公路工程互通区河道改移工程进行了分析，认为开挖将使邻近桥梁桩基产生附加内力及位移，并提出优化施工顺序能有效控制变形。

本文以广东省沿海某市跨越市政道路的机场高速公路高架桥偏位为例，通过数值模拟研究地表开挖对邻近超长桩柱式桥墩内力与变形的影响，在此基础上，详细分析开挖深度、软土弹性模量、软土深度、桩径等参数在开挖过程中对深厚软土区高架桥桩基的影响规律，以期为深厚软土地区的桥梁桩基保护提供经验。

1 工程概况

根据本文研究主旨，选择位于广东省沿海某市机场高速公路高架桥桩基偏位问题[16]为例，研究开挖对桥梁桩基的不利影响，该桥上跨该市某道路，如图1所示，高架桥下方为一市政道路的箱涵。根据施工组织，先施工交叉段机场高速公路高架桥桩基与墩柱，其中高架桥基桩长55 m, 桩径1.5 m; 墩柱、盖梁、系梁高度分别为10 m、1.4 m和1.2 m。随后在下方进行箱涵施工，箱涵基础埋深3.8 m, 需开挖基坑。在基坑开挖过程中，高架桥墩柱均产生面向开挖侧的偏位变形。经现场测量发现各墩顶偏位较大，达125～186 mm之多，严重影响到了结构安全。

地质钻探揭示的桥位地层为广东省沿海典型深厚软土地区地形的地层(图2),自上而下依次为：淤泥层厚16.9 m, 粉质黏土层厚7.7 m, 全风化花岗岩层厚3.4 m, 强风化花岗岩层厚16.5 m, 基岩为中风化花岗岩。可以看到由淤泥和粉质黏土组成的软土地基厚度超过20 m, 加之基桩长细比较高，土层和结构整体刚度极低，容易产生侧向变形。箱涵基坑开挖使高架桥桩侧土压力发生变化，形成了水平向的不平衡荷载，这种不平衡推力通过软土层作用在桥梁基桩身上致使桩身产生严重偏位。

图1 墩柱偏位示意

图2 桥位地质柱状图示

2 数值模型

2.1数值模型及参数

采用有限差分法程序FLAC3D,建立了地层～结构相互作用的数值模型，如图3所示。参考依托工程的典型地层条件，进行一定简化后采用实体单元分层建立整体尺寸为40 m×40 m×60 m的地层模型，各地层厚度根据图2中钻孔柱状图确定。地层土体采用Mohr-Coulomb本构模型，根据依托工程地勘报告提供的岩土物理力学基本指标并结合相关经验取值方法，选取各地层模型计算参数列入表1。模型侧边及底部均为简支约束，地表为自由边界，土体开挖侧无支护。既有桥梁结构的上部桥墩、盖梁及联系梁采用BEAM结构单元模拟，桥梁基桩则采用可以考虑桩土相互作用的PILE结构单元模拟，桩基结构模型参数列入表2。桥梁结构尺寸及参数均根据依托工程设计方案选取，其中桩土接触参数按嵌岩段和非嵌岩段分别选取。

图3 数值模型

表1 土体本构模型基本力学参数

地层土体	重度γkN/m3重度γkΝ/m3	弹模EMPa弹模EΜΡa	泊松比μ	黏聚力ckPa黏聚力ckΡa	摩擦角φ(°)摩擦角φ(°)
淤泥	18	1.5	0.4	15	5
粉质黏土	19	10	0.35	35	15
强风化花岗岩	22	500	0.3	100	25
中风化花岗岩	24	1 000	0.25	400	40

表2 桩基结构模型基本力学参数

密度kg/m3密度kg/m3	弹性 模量GPa模量GΡa	泊松比	桩径m桩径m	桩土 黏聚力kPa黏聚力kΡa	桩土 摩擦角(°)摩擦角(°)	桩土界 面刚度GPa面刚度GΡa
20	34.5	0.22	1.5	12/400 (嵌岩段)	5/40 (嵌岩段)	100

在开挖影响分析模拟之前需要生成既有桩基结构的初始应力状态，首先建立地层模型后在自重应力作用下进行第一次初始应力平衡计算，然后建立既有桥梁墩柱桩基结构后再次进行第二次初始应力平衡计算。随后开挖计算过程中为了降低突然扰动造成的土体单元破坏失真，每次分析分3次开挖，每次开挖计算稳定平衡后再进行下一步开挖计算。计算完成后，输出地层位移、结构变形内力等进行分析。

2.2数值结果及分析

数值模拟得到的开挖后地层水平位移结果如图4所示，地层水平变形主要产生在淤泥和粉质黏土层上部，强风化岩层及基岩部分水平位移很小。开挖面的水平位移上小下大，呈现鼓肚子的形态。软土地层最大水平位移并非产生在开挖面，而是位于开挖面下方2～3 m处。最大水平位移达到250 mm以上，并在开挖面附近较大区域内形成整体水平变形区域。图4显示桥梁基桩明显位于该水平变形区域中，桩体附近地层水平位移达到100 mm以上。

图4 地层位移场及结构弯矩

将桥梁结构的水平变形放大500倍后显示在图5(a)中，可以清楚地观察到在软土地层较大位移的影响下，桥梁结构产生了面向开挖侧的水平变形。结合地层位移以及图5(b)显示的结构弯矩分布图，可以进一步分析桥梁结构偏位变形的具体模式：首先地层无支护开挖引起上部软土层产生较大水平位移区域，邻近桥梁基桩在地表以下10 m位置位于该变形区域的中心且超长桩抗弯刚度较低，因而基桩在该位置产生较大水平位移和最大正弯矩640 kN·m(面向开挖侧受拉);最大正弯矩位置以上基桩和墩柱结构因为桥面结构尚未施作，几乎没有侧向约束，因此产生了以该位置为中心的转动，水平位移在墩顶处达到最大值191 mm, 与现场实测偏位数据相一致，位移虽大但挠曲程度较低，故地下10 m以上结构弯矩逐渐减小；最大正弯矩位置产生的水平位移带动下部基桩结构持续产生位移，但由于深部地层水平约束越来越强烈，结构弯矩也随埋深减小，埋深达到15 m处产生了反弯(背向开挖侧受拉);在软硬地层过渡的地层中，负弯矩迅速增加，在基桩嵌入强风化岩层处达到最大负弯矩3 000 kN·m; 基桩进入强风化岩层后，由于侧向约束作用增强，弯矩迅速降低。位于深厚软土区城市桥梁桩基受到城市基础设施建设开挖基坑的影响较大，计算说明，如能在深厚软土地区的桩基可适当加强软硬交界面一定范围配筋，可预防地表开挖导致桩基损害。

图5 数值模型计算结果

3 参数分析

通过对依托工程桥梁桩基的数值模拟分析指出深厚软土地区超长桥梁桩基邻近的地表开挖对桥梁结构偏位的影响非常显著，并且桥梁基桩结构内力响应与地表开挖以及地层分布模式紧密相关。为进一步讨论不同地表开挖及地层特征情况下的桥梁桩基结构变形和内力响应，本节选取开挖深度、软土层刚度、软土层厚度以及桥梁基桩桩径4个关键影响因素进行参数分析。

3.1不同开挖深度对桩基内力变形的影响

图6显示了桥梁桩基最大偏位和最大结构弯矩随开挖深度的变化趋势。可以看到，地表开挖深度1、2、4、6 m对应的最大偏位分别为22.5 mm、41.7 mm、228.5 mm、360.1 mm,随着开挖深度的增大，桥梁桩基的水平偏位也显著增大。值得注意的是当开挖深度较浅(2 m以内)时，结构最大位移出现在开挖区域附近，并未出现在墩柱顶部。这可以解释为当地层变形较小时，桥梁地表以上墩柱、联系梁以及桩前土对基桩位移尚能产生一定约束作用，此时桩基最大弯矩为正(面向开挖侧受拉),出现在靠近开挖面下方的部位。当开挖深度过大，地层水平变形随之剧烈增加，此时基桩上部结构对其约束能力几乎不起作用，上部墩柱产生整体转动偏位，因此最大位移出现在墩顶部位。同样原因，基桩的最大正弯矩在开挖深度超过2 m后反而降低，地层软硬过渡段的基桩负弯矩(背向开挖侧受拉)则显著增加，成为基桩的控制弯矩。当开挖深度达到6 m,可以看到桩前土无法自稳且出现松动区，此时基桩最大负弯矩达到5 000 kN·m以上，超过1.5 m一般配筋桥梁桩的极限抗弯承载能力，可导致桩基断裂，而1.5 m桩是广东省沿海深厚软土地区常用直径之一。

图6 不同开挖深度数值模拟计算结果

3.2不同软土模量对桩基影响

图7显示了桥梁桩基最大偏位和最大结构弯矩随软土刚度的变化趋势。在相同开挖深度等条件下，软土弹性模量为2 MPa、4 MPa、7 MPa和10 MPa模型对应的最大偏位分别为76.9 mm、28.7 mm、21.0 mm、16.9 mm,随着软土地层刚度降低，桩基水平偏位逐渐增大。尤其在弹性模量小于5 MPa的极软土地层中开挖对桥梁基础桩基偏位的影响非常显著。图7显示在弹性模量小于5 MPa的极软土地层中基桩最大弯矩由出现在地层软硬过渡段的负弯矩控制，随着软土地层刚度提高，桩体负弯矩逐渐减小并与上部正弯矩大小趋于一致。

图7 不同软土模量数值模拟计算结果

3.3不同软土厚度对桩基内力变形的影响

图8显示了桥梁桩基最大偏位和最大结构弯矩随软土厚度的变化趋势。软土层厚度5 m、10 m、20 m和25 m情况下对应的最大偏位分别为16.6 mm、55.7 mm、204.1 mm、236.2 mm。软土层越厚，桥梁桩基和上部墩柱结构更容易发生整体转动而偏位，因此随着软土厚度的增加，桥梁墩顶偏位显著增大。软土层厚从5 m增加到10 m,墩顶偏位仅相差50 mm,但层厚从10 m增加到15 m,墩顶偏位则增加了100 mm。桥梁基桩结构最大弯矩变化趋势与偏位大小一致，当软土层厚达到25 m,基桩最大负弯矩将达到5 000 kN·m,可导致依托工程中的1.5 m桩断裂。

3.4不同桩径对桩基内力变形的影响

图9显示了桥梁桩基最大偏位和最大结构弯矩随桩径的变化趋势。如图9所示，桩径1 m、1.25 m、1.75 m和2 m模型对应的最大偏位分别为267.0 mm、207.0 mm、189.1 mm和188.0 mm,均出现在墩顶。对比结果可以看出，增大桩径对限制桥梁桩基最大水平偏位有一定作用，但并不明显。桩径从1 m提高到2 m,虽然界面抗弯刚度增加很大，但对超长桩整体抗弯刚度提高则并不明显。图10显示了不同桩径对应的地层水平位移和结构弯矩分布图，从图10的地层变形可以看出，地层的水平位移大小几乎没有因为桩径提高而改变，模型整体变形模式仍然由地层变形趋势所控制。桩体变形模式不变但桩径增加的结果会导致桩体变形产生的附加弯矩急剧增加，如图9(b)所示。因此采用增大基桩桩径来降低地表开挖诱发桩基偏位的方法并不合理。

图8 不同软土深度数值模拟计算结果

4 结语

本文以某软土区高速公路跨越市政道路高架桥超长桩基偏位实际工程为依托，建立了考虑地层-结构相互作用的数值模型。通过数值模拟方法揭示了软基开挖诱发邻近超长桥梁桩基偏位的力学机理，并针对多种工况下的数值模拟结果分析了开挖方式、地层条件和结构形式对超长桥梁桩基偏位的影响，得到了以下主要结论。

(1)数值模拟揭示深厚软土地区超长桥梁桩基邻近地表开挖对桥梁结构偏位的影响非常显著，并且桥梁基桩结构内力响应与地表开挖以及地层分布模式紧密相关，因此深厚软土区要避免在桥梁周边非对称开挖。计算表明，位于深厚软土区城市桥梁桩基可适当加强软硬交界面一定范围配筋，对避免不可预见的城市建设开挖导致桩基损害有作用。

(2)随着开挖深度的增加，桥梁桩基的水平偏位显著增大，且桩基结构内力大小和模式与开挖深度紧密相关，数值模拟结果指出2 m的开挖深度就会引起超长桩基产生较大附加弯矩。

图9 不同桩径数值模拟计算结果

图10 不同桩径数值模拟计算结果

(3)随着软土弹性模量降低或软土层厚度增加，桩基水平偏位显著增大。对于广东省沿海软土地层以及常用的1.5 m桩型情况，在深度超过20 m的软基的桥梁基础桩基附近进行无支护开挖，很可能导致桩基断裂。

(4)软土中地表开挖引起的变形主要由地层变形趋势所控制，增大桩径对减小桥梁桩基水平偏位并不明显，因此采用增大基桩桩径来降低地表开挖诱发桩基偏位的方法并不合理。

参考文献

[1] Poulos H G.Analysis of Piles in soil undergoing Lateral Movement [J].ASCE,1973,(6) :391-405.

[2] 陈雪奖，周卫滨，等.不平衡堆载对桥梁桩基影响试验研究[J].公路工程，2015,40(6):36-39+70.

[3] 张浩，石名磊，等.互通区跨线桥邻近路基墩柱偏移事故分析[J].东南大学学报，2013,43(3):617-623.

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[5] 梁治国，李吉勇.某桥梁下部结构纠偏施工技术[J].施工技术，2014,43(10):73-75.

[6] 杜斌，邹勇，等.武汉盘龙城大桥0号桥台的纠偏分析[J].岩石力学与工程学报，2006,25(2):4076-4082.

[7] 马远刚，王艳芬，等.堆载作用下桥梁被动桩偏移受力分析及处理措施[J].桥梁建设，2014,44(4):22-26.

[8] 詹兴家，白才仁，常晨曦，等.软土地区深基坑开挖对临近桩基础建筑物影响的规律分析[J].建筑技术开发，2020,47(10):163-164.

[9] 郭月亮，田少坤.软土地区基坑开挖引起桩基质量问题的判定与处理[J].探矿工程，2015,42(6):59-62.

[10] 葛爱兵，张飞，等.深大基坑开挖对桩基的影响及其检测技术问题研究[J].施工技术，2014,43(S2):71-75.

[11] 姚金梅，章仕灵.基坑开挖对邻近桩基影响的分析研究[J].山西建筑，2014,40(27):102-103.

[12] 杜金龙，杨敏.软土基坑开挖对邻近桩基影响的时效分析[J].岩土工程学报，2008,30(7):1038-1043.

[13] 蒙健，陈安，等.临近高架桥软土区基坑开挖变形监测与数值分析[J].中国水运，2018,18(10):250-252.

[14] 魏丽敏，辛学忠，等.邻近开挖对桥梁桩基变形与内力影响分析[J].铁道工程学报，2017,34(5):38-44.

[15] 李梅华，丰月华，熊山铭.河道邻近开挖对互通区桥梁及路基的影响分析[J].武汉交通职业学院学报，2020,22(3):74-79.

[16] 李光辉，王鹏.金湾大道高架桥墩柱偏位分析与纠偏处理[J].公路交通技术，2015,(4):119-121.

刘细军 孟园英 黄学源 刘晓明

广州市高速公路有限公司 湖南中交京纬信息科技有限公司 北京中交京纬公路造价技术有限公司 湖南大学土木工程学院

摘 要：随着城区扩大，不少公路桥梁成为城市内部的高架桥，因而受到城市建设过程中的地表开挖影响。深厚软基地区的地表开挖可能会诱发邻近桥梁桩基产生水平移位甚至破坏。以广东省沿海某市跨越市政道路的机场高速公路高架桥偏位为例，通过数值模拟研究地表开挖对邻近超长桩柱式桥墩内力与变形的影响，揭示了软基开挖诱发邻近超长桥梁桩基偏位的力学机理和影响模式。在此基础上，详细分析开挖深度、软土弹性模量、软土深度、桩径等参数在开挖过程中对深厚软土区高架桥桩基的影响规律。根据分析结果对类似工程提出了一系列施工或设计的建议，以期为深厚软土地区的桥梁桩基保护提供借鉴经验。

关键词：桥梁桩基;软土;偏位;开挖;数值模拟;

我国沿海城市发展迅速，位于郊区的公路桥梁工程在数年内就可能成为城市内部的高架桥，开始受到城市基础设施建设的影响。然而沿海地区又普遍分布有深厚软土地层，例如在建的广东省南沙到中山的高速公路，穿越深度超过40 m的海陆交互沉积软土地区，全线采用了超长桩基的桥梁方案。滨海地区沉积的深厚软土具有天然含水率高、天然孔隙比大、压缩性高和抗剪强度低的特征，城市建设的填筑或开挖在桥梁下方的软土地层中进行，可引起邻近桥梁桩基产生变形，甚至导致桩基和上部结构的破坏，如何保护沿海深厚软土地区桥梁桩基不受城市建设影响，成为一个重要课题。

目前软土中不平衡推力诱发桥梁桩基偏位变形的研究主要集中在桥基邻近堆载方面，部分学者通过室内和现场试验对其进行了研究[1,2]。张浩等[3]针对某疏港高速公路互通区下行路基填筑引发跨线桥墩柱偏移、桥墩桩基桩身损伤等问题进行了分析。裴碧峰[4]根据福宁高速公路某特大桥桩基偏位实例开展理论计算，分析了基桩产生偏位的主要原因。梁治国等[5]、杜斌等[6]及马远刚等[7]提出可以采用卸载止推、反向堆载、挖坑卸荷、应力释放孔及水平加载等纠偏方法对基桩实施纠偏。部分学者也针对基坑工程对邻近桥梁桩基的影响展开了研究[8,9,10,11,12]。蒙健等[13]以昆明地区某污水处理厂基坑开挖为依托，通过监测数据分析与数值模拟相结合的手段对高架桥附近软土区基坑开挖变形特点进行研究，结果表明，软土区基坑大开挖位于5倍开挖深度范围外的高架桥位移明显；魏丽敏等[14]针对浙江省宁波北站工程，结合现场原型试验及数值分析对深厚软土地区无支护基坑开挖对邻近高铁桥梁桩基变形与内力的影响进行了分析，认为邻近开挖将劣化桩基工作性能，并探讨了不同开挖参数对临近软土地区桥梁桩身的影响规律；李梅华等[15]结合理论分析和数值模拟，对台州某公路工程互通区河道改移工程进行了分析，认为开挖将使邻近桥梁桩基产生附加内力及位移，并提出优化施工顺序能有效控制变形。

本文以广东省沿海某市跨越市政道路的机场高速公路高架桥偏位为例，通过数值模拟研究地表开挖对邻近超长桩柱式桥墩内力与变形的影响，在此基础上，详细分析开挖深度、软土弹性模量、软土深度、桩径等参数在开挖过程中对深厚软土区高架桥桩基的影响规律，以期为深厚软土地区的桥梁桩基保护提供经验。

1 工程概况

根据本文研究主旨，选择位于广东省沿海某市机场高速公路高架桥桩基偏位问题[16]为例，研究开挖对桥梁桩基的不利影响，该桥上跨该市某道路，如图1所示，高架桥下方为一市政道路的箱涵。根据施工组织，先施工交叉段机场高速公路高架桥桩基与墩柱，其中高架桥基桩长55 m, 桩径1.5 m; 墩柱、盖梁、系梁高度分别为10 m、1.4 m和1.2 m。随后在下方进行箱涵施工，箱涵基础埋深3.8 m, 需开挖基坑。在基坑开挖过程中，高架桥墩柱均产生面向开挖侧的偏位变形。经现场测量发现各墩顶偏位较大，达125～186 mm之多，严重影响到了结构安全。

地质钻探揭示的桥位地层为广东省沿海典型深厚软土地区地形的地层(图2),自上而下依次为：淤泥层厚16.9 m, 粉质黏土层厚7.7 m, 全风化花岗岩层厚3.4 m, 强风化花岗岩层厚16.5 m, 基岩为中风化花岗岩。可以看到由淤泥和粉质黏土组成的软土地基厚度超过20 m, 加之基桩长细比较高，土层和结构整体刚度极低，容易产生侧向变形。箱涵基坑开挖使高架桥桩侧土压力发生变化，形成了水平向的不平衡荷载，这种不平衡推力通过软土层作用在桥梁基桩身上致使桩身产生严重偏位。

图1 墩柱偏位示意

图2 桥位地质柱状图示

2 数值模型

2.1数值模型及参数

采用有限差分法程序FLAC3D,建立了地层～结构相互作用的数值模型，如图3所示。参考依托工程的典型地层条件，进行一定简化后采用实体单元分层建立整体尺寸为40 m×40 m×60 m的地层模型，各地层厚度根据图2中钻孔柱状图确定。地层土体采用Mohr-Coulomb本构模型，根据依托工程地勘报告提供的岩土物理力学基本指标并结合相关经验取值方法，选取各地层模型计算参数列入表1。模型侧边及底部均为简支约束，地表为自由边界，土体开挖侧无支护。既有桥梁结构的上部桥墩、盖梁及联系梁采用BEAM结构单元模拟，桥梁基桩则采用可以考虑桩土相互作用的PILE结构单元模拟，桩基结构模型参数列入表2。桥梁结构尺寸及参数均根据依托工程设计方案选取，其中桩土接触参数按嵌岩段和非嵌岩段分别选取。

图3 数值模型

表1 土体本构模型基本力学参数

地层土体	重度γkN/m3重度γkΝ/m3	弹模EMPa弹模EΜΡa	泊松比μ	黏聚力ckPa黏聚力ckΡa	摩擦角φ(°)摩擦角φ(°)
淤泥	18	1.5	0.4	15	5
粉质黏土	19	10	0.35	35	15
强风化花岗岩	22	500	0.3	100	25
中风化花岗岩	24	1 000	0.25	400	40

表2 桩基结构模型基本力学参数

密度kg/m3密度kg/m3	弹性 模量GPa模量GΡa	泊松比	桩径m桩径m	桩土 黏聚力kPa黏聚力kΡa	桩土 摩擦角(°)摩擦角(°)	桩土界 面刚度GPa面刚度GΡa
20	34.5	0.22	1.5	12/400 (嵌岩段)	5/40 (嵌岩段)	100

在开挖影响分析模拟之前需要生成既有桩基结构的初始应力状态，首先建立地层模型后在自重应力作用下进行第一次初始应力平衡计算，然后建立既有桥梁墩柱桩基结构后再次进行第二次初始应力平衡计算。随后开挖计算过程中为了降低突然扰动造成的土体单元破坏失真，每次分析分3次开挖，每次开挖计算稳定平衡后再进行下一步开挖计算。计算完成后，输出地层位移、结构变形内力等进行分析。

2.2数值结果及分析

数值模拟得到的开挖后地层水平位移结果如图4所示，地层水平变形主要产生在淤泥和粉质黏土层上部，强风化岩层及基岩部分水平位移很小。开挖面的水平位移上小下大，呈现鼓肚子的形态。软土地层最大水平位移并非产生在开挖面，而是位于开挖面下方2～3 m处。最大水平位移达到250 mm以上，并在开挖面附近较大区域内形成整体水平变形区域。图4显示桥梁基桩明显位于该水平变形区域中，桩体附近地层水平位移达到100 mm以上。

图4 地层位移场及结构弯矩

将桥梁结构的水平变形放大500倍后显示在图5(a)中，可以清楚地观察到在软土地层较大位移的影响下，桥梁结构产生了面向开挖侧的水平变形。结合地层位移以及图5(b)显示的结构弯矩分布图，可以进一步分析桥梁结构偏位变形的具体模式：首先地层无支护开挖引起上部软土层产生较大水平位移区域，邻近桥梁基桩在地表以下10 m位置位于该变形区域的中心且超长桩抗弯刚度较低，因而基桩在该位置产生较大水平位移和最大正弯矩640 kN·m(面向开挖侧受拉);最大正弯矩位置以上基桩和墩柱结构因为桥面结构尚未施作，几乎没有侧向约束，因此产生了以该位置为中心的转动，水平位移在墩顶处达到最大值191 mm, 与现场实测偏位数据相一致，位移虽大但挠曲程度较低，故地下10 m以上结构弯矩逐渐减小；最大正弯矩位置产生的水平位移带动下部基桩结构持续产生位移，但由于深部地层水平约束越来越强烈，结构弯矩也随埋深减小，埋深达到15 m处产生了反弯(背向开挖侧受拉);在软硬地层过渡的地层中，负弯矩迅速增加，在基桩嵌入强风化岩层处达到最大负弯矩3 000 kN·m; 基桩进入强风化岩层后，由于侧向约束作用增强，弯矩迅速降低。位于深厚软土区城市桥梁桩基受到城市基础设施建设开挖基坑的影响较大，计算说明，如能在深厚软土地区的桩基可适当加强软硬交界面一定范围配筋，可预防地表开挖导致桩基损害。

图5 数值模型计算结果

3 参数分析

通过对依托工程桥梁桩基的数值模拟分析指出深厚软土地区超长桥梁桩基邻近的地表开挖对桥梁结构偏位的影响非常显著，并且桥梁基桩结构内力响应与地表开挖以及地层分布模式紧密相关。为进一步讨论不同地表开挖及地层特征情况下的桥梁桩基结构变形和内力响应，本节选取开挖深度、软土层刚度、软土层厚度以及桥梁基桩桩径4个关键影响因素进行参数分析。

3.1不同开挖深度对桩基内力变形的影响

图6显示了桥梁桩基最大偏位和最大结构弯矩随开挖深度的变化趋势。可以看到，地表开挖深度1、2、4、6 m对应的最大偏位分别为22.5 mm、41.7 mm、228.5 mm、360.1 mm,随着开挖深度的增大，桥梁桩基的水平偏位也显著增大。值得注意的是当开挖深度较浅(2 m以内)时，结构最大位移出现在开挖区域附近，并未出现在墩柱顶部。这可以解释为当地层变形较小时，桥梁地表以上墩柱、联系梁以及桩前土对基桩位移尚能产生一定约束作用，此时桩基最大弯矩为正(面向开挖侧受拉),出现在靠近开挖面下方的部位。当开挖深度过大，地层水平变形随之剧烈增加，此时基桩上部结构对其约束能力几乎不起作用，上部墩柱产生整体转动偏位，因此最大位移出现在墩顶部位。同样原因，基桩的最大正弯矩在开挖深度超过2 m后反而降低，地层软硬过渡段的基桩负弯矩(背向开挖侧受拉)则显著增加，成为基桩的控制弯矩。当开挖深度达到6 m,可以看到桩前土无法自稳且出现松动区，此时基桩最大负弯矩达到5 000 kN·m以上，超过1.5 m一般配筋桥梁桩的极限抗弯承载能力，可导致桩基断裂，而1.5 m桩是广东省沿海深厚软土地区常用直径之一。

图6 不同开挖深度数值模拟计算结果

3.2不同软土模量对桩基影响

图7显示了桥梁桩基最大偏位和最大结构弯矩随软土刚度的变化趋势。在相同开挖深度等条件下，软土弹性模量为2 MPa、4 MPa、7 MPa和10 MPa模型对应的最大偏位分别为76.9 mm、28.7 mm、21.0 mm、16.9 mm,随着软土地层刚度降低，桩基水平偏位逐渐增大。尤其在弹性模量小于5 MPa的极软土地层中开挖对桥梁基础桩基偏位的影响非常显著。图7显示在弹性模量小于5 MPa的极软土地层中基桩最大弯矩由出现在地层软硬过渡段的负弯矩控制，随着软土地层刚度提高，桩体负弯矩逐渐减小并与上部正弯矩大小趋于一致。

图7 不同软土模量数值模拟计算结果

3.3不同软土厚度对桩基内力变形的影响

图8显示了桥梁桩基最大偏位和最大结构弯矩随软土厚度的变化趋势。软土层厚度5 m、10 m、20 m和25 m情况下对应的最大偏位分别为16.6 mm、55.7 mm、204.1 mm、236.2 mm。软土层越厚，桥梁桩基和上部墩柱结构更容易发生整体转动而偏位，因此随着软土厚度的增加，桥梁墩顶偏位显著增大。软土层厚从5 m增加到10 m,墩顶偏位仅相差50 mm,但层厚从10 m增加到15 m,墩顶偏位则增加了100 mm。桥梁基桩结构最大弯矩变化趋势与偏位大小一致，当软土层厚达到25 m,基桩最大负弯矩将达到5 000 kN·m,可导致依托工程中的1.5 m桩断裂。

3.4不同桩径对桩基内力变形的影响

图9显示了桥梁桩基最大偏位和最大结构弯矩随桩径的变化趋势。如图9所示，桩径1 m、1.25 m、1.75 m和2 m模型对应的最大偏位分别为267.0 mm、207.0 mm、189.1 mm和188.0 mm,均出现在墩顶。对比结果可以看出，增大桩径对限制桥梁桩基最大水平偏位有一定作用，但并不明显。桩径从1 m提高到2 m,虽然界面抗弯刚度增加很大，但对超长桩整体抗弯刚度提高则并不明显。图10显示了不同桩径对应的地层水平位移和结构弯矩分布图，从图10的地层变形可以看出，地层的水平位移大小几乎没有因为桩径提高而改变，模型整体变形模式仍然由地层变形趋势所控制。桩体变形模式不变但桩径增加的结果会导致桩体变形产生的附加弯矩急剧增加，如图9(b)所示。因此采用增大基桩桩径来降低地表开挖诱发桩基偏位的方法并不合理。

图8 不同软土深度数值模拟计算结果

4 结语

本文以某软土区高速公路跨越市政道路高架桥超长桩基偏位实际工程为依托，建立了考虑地层-结构相互作用的数值模型。通过数值模拟方法揭示了软基开挖诱发邻近超长桥梁桩基偏位的力学机理，并针对多种工况下的数值模拟结果分析了开挖方式、地层条件和结构形式对超长桥梁桩基偏位的影响，得到了以下主要结论。

(1)数值模拟揭示深厚软土地区超长桥梁桩基邻近地表开挖对桥梁结构偏位的影响非常显著，并且桥梁基桩结构内力响应与地表开挖以及地层分布模式紧密相关，因此深厚软土区要避免在桥梁周边非对称开挖。计算表明，位于深厚软土区城市桥梁桩基可适当加强软硬交界面一定范围配筋，对避免不可预见的城市建设开挖导致桩基损害有作用。

(2)随着开挖深度的增加，桥梁桩基的水平偏位显著增大，且桩基结构内力大小和模式与开挖深度紧密相关，数值模拟结果指出2 m的开挖深度就会引起超长桩基产生较大附加弯矩。

图9 不同桩径数值模拟计算结果

图10 不同桩径数值模拟计算结果

(3)随着软土弹性模量降低或软土层厚度增加，桩基水平偏位显著增大。对于广东省沿海软土地层以及常用的1.5 m桩型情况，在深度超过20 m的软基的桥梁基础桩基附近进行无支护开挖，很可能导致桩基断裂。

(4)软土中地表开挖引起的变形主要由地层变形趋势所控制，增大桩径对减小桥梁桩基水平偏位并不明显，因此采用增大基桩桩径来降低地表开挖诱发桩基偏位的方法并不合理。

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