地下水变化对桥梁单桩承载力的影响及其分析

对于桥梁桩基而言，地基地下水位下降将影响单桩承载力。在水位下降附加应力发生变化的条件下，以某桥梁桩基为例，采用ABAQUS 有限元软件对单桩承载力的特性进行分析。

1.分析模型与假设

本构模型：桩采用线弹性模型，土体采用Mohr-Coulomb 模型，计算模型采用轴对称进行分析。模型的主要参数如表5.2-4所示。

边界条件：模型底部径向和竖向位移均约束，模型外侧的径向位移约束。

桩土界面建立库仑摩擦模型的接触关系，其摩擦角δ 为

式中φ′为土体的摩擦角，故δ=0.33。

桥梁桩基大部分采用的桩长为20～50 m，设计单桩承载力为2 000～5 000 kN。故而模型取桩长分别为20 m 和50 m，其对应的单桩承载力分别超过2 000 kN 和4 000 kN。

表5.2-4　模型主要参数

分析过程分为三步，第一步为初始应力场的平衡，第二步为桩顶施加单桩设计荷载，获取在设计荷载条件下的变形，第三步为水位或模量的变化，获取在变条件下的变形。由于单桩在极限承载力条件下的变形基本呈线性变化，故而分析第三步的计算变形占第二步的比例即为水位和模量变化的影响程度。

桩长20 m 和50 m 的有限元模型如图5.2-7 和图5.2-8 所示，桩径分别取为0.75 m 和1.0 m。模型在竖向取为桩长的2 倍，在径向取为桩长的1 倍。

图5.2-7　有限元模型（桩长20 m）

图5.2-8　有限元模型（桩长50 m）

2.单桩承载力特性

当持力层模量为2 000 MPa 和加固区模量为2 MPa、5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa 和50 MPa 条件下，桩长为20 m 和50 m 的单桩试验曲线分别为图5.2-9 和图5.2-10。计算结果表明，两种桩长的承载力特征值分别超过3 000 kN 和5 000 kN。

图5.2-9　单桩试验曲线（桩长20 m）(www.xing528.com)

图5.2-10　单桩试验曲线（桩长50 m）

分析中，对两桩分别施加2 000 kN 和3 500 kN 的竖向荷载，再施加由水位变化引起的附加荷载。由于在单桩试验荷载-沉降曲线中，作用荷载不超过承载力特性值时变形基本维持线性，在确保产生的总变形基本在弹性范围内的前提下，对比当水位发生变化产生的变形占前述荷载条件下变形的比例，以分析单桩承载力的变化。

3.水位变化的影响

对于地基中水位的变化采用容重的变化来实现，即水位下降意味着由浮容重变化为湿容重，初始水位位于地基面。分析时，水位变化从地基面开始，变化深度分别为上部2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、8 m、10 m和15 m，在不同加固区模量条件下，水位变化引起的变形占竖向荷载（桩长l=20 m 时，荷载为2 000 kN）引起变形的比例如图5.2-11（持力层模量Mc=300 MPa）和图5.2-12（Mc=100 MPa）所示。从图中可知，加固区水位变化对桩顶变形具有很大影响，总体上，水位降低深度越大，水位变化引起的变形比例越大。

图5.2-11　水位变化引起的变形比例（Mc=300 MPa，l=20 m）

图5.2-12　水位变化引起的变形比例（Mc=100 MPa，l=20 m）

当在水位下降上部2 m 深度时，Mc=300 MPa 和Mc=100 MPa 对应的变形比例最大达到了12.9%和16.2%，当在水位下降上部10 m 深度时，Mc=300 MPa 和Mc=100 MPa 对应的变形比例最大达到了25.8%和34.5%。同时，对于下降相同水位深度时，变形比例随着加固区模量的增大而增大，超过10 MPa 后随着模量增大而有所减小。

图5.2-13 和图5.2-14 为桩长50 m 的变形比例，变化趋势基本一致，相同参数条件下，比例有所减小，当上部下降2 m 时，比例最大达到9.2%。

图5.2-13　水位变化引起的变形比例（Mc=300 MPa，l=50 m）

图5.2-14　水位变化引起的变形比例（Mc=100 MPa，l=50 m）

4.分析结论

在本假定计算条件下（持力层模量100 MPa 和300 MPa，加固区模量2～50 MPa）对地下水位变化引起的变形进行数值分析，得到如下结论：

（1）地下水位降低深度越大，水位变化引起的变形占设计荷载引起变形的比例越大。

（2）当地下水位一次性从地面下降 2 m，对于持力层模量 Mc= 300 MPa、桩长为20 m 和50 m 对应的单桩承载力最大将分别降低设计荷载的12.9%和9.2%。