冻土上限下移对桥梁桩基竖向承载力的影响分析

冻土上限下移对桥梁桩基竖向承载力的影响分析
【摘要】在全球气候变暖大气升温，以及人为因素的影响下，多年冻土地区的工程基础受冻土上限的变化影响，其竖向承载能力会发生一定程度的改变。

本文针对青藏铁路桥梁桩基竖向承载性能问题，进行数值模拟研究和理论解分析。

通过在冻土上限变化条件下铁路桥梁桩基的内力和变位分析的对比，获得冻土上限变化对桥梁桩基竖向承载力的受力效果分析。

【关键词】冻土上限；桥梁桩基；竖向承载力；受力分析
【Abstract】In the global climate warming air heating up, and human factors influence, the permafrost areas of the upper limit of permafrost foundation engineering by change influence, its vertical bearing capacity will happen some degree of change. This article in view of the qinghai-tibet railway bridge pile foundation vertical load per- formance issues, numerical simulation study and analysis of the theoretical solution. Through permafrost changes in upper limit conditions near the pile foundation of railway bridge internal force and displacement analysis the contrast of the upper limit of permafrost changes for the stress of the vertical bearing capacity of the pile found- ation bridge effect analysis.
【Key words】Permafrost；Permafrost cap；Vertical ultimate bearing capacity；Stress analysis
0 引言
桩基因为它具有较大的承载力、较好的适应性和稳定性，在冻土地区的工程中已经得到广泛应用。

随着全球气候变暖导致大气升温，使得冻土发生退化日益严重，目前已经成为冻土地区的既有桥梁基础承载能力评估中所面临的关键问题。

针对多年冻土中的桩基承载力问题，国内外早就开展了相关研究，并取得了大量成果。

J. F. Nixon和E. C.McRoberts[1]采用有限差分法，并考虑冻土的蠕变性，对冻土中桩基进行模拟分析；江仁和等[2]进行了不同冻结温度下单桩承载力的试验研究，获得了单桩冻结、承载力和温度的关系；李洪升等[3]用断裂力学对桩基冻拔的冻土工程问题进行了分析物理模拟试验则主要针对冻土桩在某种均质土性和均匀温度场条件下的承载力或抗拔力，都没有对某些可能因为气候变化或施工扰动所导致的特殊条件下桩基稳定性进行预测和评价。

本文针对青藏高原地区特殊的地质环境条件(全球气候升温或人为施工的热扰动)，对冻土上限下移时桥梁桩基的竖向承载力的受力效果进行分析研究。

1 数值模拟研究
1.1 工程背景
分析模型为石灰沟大桥桩基，该桥位于里程K973+551处，桥梁全长504.2m,主梁为32m的后张法预应力混凝土预制梁，桩身和承台为C25钢筋混凝土，容重kN/m3；桩基施工形式为钻孔灌注桩，桩径为1.25m，桩间距3.9m。

桩长为16 m，入土深度为14 m，假定地基为单一土质。

1.2 材料参数
在ANSYS桩土模型分析中，模拟分析采用三维立体模型，取四分之一桩进行分析，桩身单元采用Solid45单元，接触部分为面—面接触单元，采用目标单元Targe170单元，接触单元为Conta173单元，程序通过相同的实常数号来识别接触对[4]混凝土桩的力学参数见表1。

土层参数见表2。

表1 混凝土桩基的力学参数
表2 土层参数
建模流程为：定义单元类型及材料属性→建立桩身→划分单元→接触单元→施加边界条件→施加荷载→求解→查看结果。

具体建模过程如图1～4所示:
图1 混凝土桩身
图2 桩土模拟
图3 表面效应单元
图4 最终模型
2 理论解分析
2.1 计算原理
由于该两座桥梁位于多年冻土区，随着冻土上限的变化，相当于压缩土层的融层逐渐加厚，在进行单桩轴向容许承载力计算时，按照多年冻土地区的公式计算确定，即多年冻土地基基桩轴向容许承载力由季节冻融摩阻力（冬季变为切向冻胀力）、桩侧冻结力和桩尖反力组成。

[p]=■f■A■+■?子jiA■+m■[?滓■]A（2—1）
式中：
fi为各季节融土层单位面积容许摩阻力（kPa），黏性土为20kPa，砂性土为30kPa；
A1i为地面到人为上限间各融土层桩侧面积（m2）；
τji为各多年冻土层在长期荷载和该土层月平均最高地温时单位面积的容许冻结力（kPa），可以从各地基基础设计规范或有关手册查用；
A2i为各多年冻土层与桩侧的冻结面积（m2）；
m0为桩尖支承力折减系数，根据不同的施工方法按m0=0.5～0.9取值，钻孔插入桩由于桩底有不密实残留土取低值；
A为桩底支承面积（m2)。

2.2 计算参数
在设计图纸中土层的参数有数值者按图纸取值；没有标出数值者其极限摩阻力依据图纸和规范，参考地基基础设计手册查得相应的土层参数取其下限值；对于冻土上限变化后的融土参数按照初融和稳定两种情况分别取值。

对于上限变化后的融层，初融状态取相对小于冻土[5]的参数值，当稳定后取该土层相应参数的下限值[6]。

3 荷载及分析方案
3.1 加载荷载
对于桥梁的竖向承载性能，选取竖向荷载大的荷载组合，桥墩检算选择中—活载按照双孔重载布置。

（1）活载布置
按双孔重载布载的活载布置如图5。

图5 活载布置
（2）墩顶荷载
将计算荷载换算至墩顶和桩顶分别见表3、表4。

表4 桩顶荷载
（3）桩顶荷载
3.2 冻土上限变化方案
经对青藏铁路沿线多年冻土层的分析研究表明，高原多年冻土上限以下1米深度内是地下冰最富集的部位，易受短期气候变暖和人为因素的影响而融化，成为寒区工程设计和施工中最为关注的重点地层。

由于该桥墩桩基采用的桩径是1.25m，依据图纸提供的资料，对应冻土层变化的分析方案为设计时取融土层厚 1.1m、2.1m、对应2（d+1）=4.5m和4.0/α=9.64m。

4 结果对比分析
图6 单桩承载力
图7 地基沉降量
针对冻土上限变化的几种情况，按照以上参数进行桩基中单桩的轴向承载力、沉降量和桩端反力的计算，并进行分析比较，得出冻土上限变化前后的解析解；针对青藏铁路线上的既有桥梁桩基，经过简化处理，建立有限元模型并施加运营荷载，从而冻土上限变化前后桩的单桩竖向承载力数值解。

4.1 单桩竖向承载力
由解析解和理论解整理得出单桩承载力和沉降量分别见图6、图7。