摘要：桩基附近的堆填会引起土体产生沉降和侧向变形，进而影响桩基产生变形，堆载严重时还会导致地基土破坏，引发工程安全事故。本文采用有限元软件，确定了数值模拟分析的几何模型、土层分布及相应参数，分析得到了近场堆填对输电塔基础的定量影响。
关键词：堆填；桩基；桩土相互作用；有限元分析
Study on Influence of Overburden on Adjacent Tower Pile
Abstract：The landfill near pile foundation will cause settlement and lateral deformation of the soil，which will affect the influence of pile foundation. When the load is severe，it will also lead to ground soil damage and cause engineering safety accidents. In this paper，the geometric model，soil layer distribution and corresponding parameters of numerical simulation analysis are determined by using finite element software，and the quantitative influence of near-field landfill on transmission tower foundation is obtained.
Keywords：Landfill；Pile Foundation；Pile-Soil Interaction；Finite Element Analysis
引言
随着城市化进程的发展，城市空间被更加紧凑地利用，城市变得更加拥挤，从而使结构物间的相互影响变得更加突出。输电塔作为一种基础设施，在其周围进行涉及土体堆填或开挖的工程活动时，特别是其安全距离范围内的环境发生较大改变时，就可能改变输电塔原有的受力状态，从而对输电塔的正常运行产生不利影响，影响程度与堆填高度、平面分布以及堆填区的地质情况等有关[1-2]。
堆载改变原有地应力场平衡，主要表现在以下方面：（1）近场堆载引起土体沉降变形，导致其邻近桩基产生负摩阻力，同时削弱桩基承载力[3]；（2）堆载影响下的侧向变形，土体的侧向变形会传递至桩基础，增加其水平位移。冯晓丹[4]结合桥下堆载工程实例，对地面堆载情况下的桥梁桩基承载力计算方法进行了研究。研究表明地面堆载会对桩基承载力产生显著的削弱作用，在进行地面堆载桩基设计和施工时，应基于安全性原则和经济性原则考虑地面堆载对桩基的影响，合理布置堆载方案。郭亚磊[5]提出了一种将桩土相对位移模型与m值法相结合的方法，釆用该方法分析了路面荷载大小、地基水平抗力系数的比例系数、不排水强度、堆载坡度、土体刚度和桩径对桩侧移的影响规律。陈欢[6]系统分析了堆载特征（堆载距离、荷载等级、堆载速率），软土特性（土层厚度、土体泊松比、弹性模量）等因素对邻近大面积堆载的桩基内力与变形的影响规律。软土层厚度和弹性模量对桩基影响较大，其中软土层厚度增加，桩基内力与变形变化增大，弹性模量增加，桩基内力变化与变形减小。
文章以近场堆填对输电塔桩基础的影响为研究内容，采用ABAQUS有限元软件进行分析，从土体的位移、塑性区以及桩身的位移部分，定量说明了堆填对输电塔桩基础的影响程度。
1 模型建立
当堆载距离桩基较近时，桩土间的接触行为对桩身受力及变形的影响与桩处于远场的行为有很大的差别，此时桩间土的脱离会相当明显，桩身会产生明显的负摩阻力。因此需要将桩基考虑为三维实体，同时在桩身与桩周土体之间设置接触单元，该接触能够模拟因土体位移而导致桩与土之间产生的水平和竖向脱离行为，只有考虑这种行为后，才能较好的揭示桩基周边环境改变对桩基的影响。
在考虑近场堆填对输电塔桩基的影响进行数值分析时，分析结果的可靠性很大程度上取决于岩土体本构模型及其相应参数的选取。ABAQUS/Standard中的Clay plasticity模型基于临界状态塑性理论，在原有的修正Cambridge模型基础上进行了扩展，其主要特点：弹性变形部分可采用线弹性体或多孔弹性体（土体弹性模量随压缩而增大），塑性变形采用帽子屈服面和相适应的流动法则，硬化定律允许屈服面扩大或缩小。硬化/软化的假设控制着屈服面在有效应力空间的大小。假设硬化/软化只受塑性体应变的影响，当塑性体应变压缩时，屈服面变大，塑性体应变膨胀时屈服面则收缩。
因土层的成层性和有限元网格的需要，将土体部分进行布尔运算切割，见图1所示，模型长100.0m、宽4.0m和厚40.0m。其中圆形位置为桩基础，桩长30m，桩径1.5m，几何模型如图2所示。因桩底与桩底土之间基本不会发生脱离，为了增加计算时的收敛性，在桩底与桩底土间采用变形协调约束即二者间变形连续。而在桩侧与桩侧土间设置摩擦接触单元。对组装以后的空间几何模型进行网格划分并在桩侧设置接触单元，见图3所示，其中有限元网格采用空间八节点四面体单元进行网格划分。考虑接触单元的需要以及计算的效率而未采用空间二十节点进行划分。计算施加柔性荷载，在桩侧5.0m范围内施加堆填荷载。堆填高度为3.0m，转换为荷载后为6.0×104Pa。模型边界条件除顶面外，在其余边界上施加垂直于相应面的链杆约束条件，模型网格如图4所示。
图5为堆载作用下的等效塑性应变分布，由图可知塑性应变发生在堆载下部的土体，由桩侧向右下方发展，在堆填荷载作用下，桩身产生不利的侧向水平位移。图6和图7分别为侧向堆填荷载作用下的桩身水平位移和竖向应力分布，由图可知桩身最大水平位移为1.536cm，最大拉应力为0.63MPa，桩身未发生损伤。但桩顶产生了转动，会对基础上部产生明显的附加应力。
3 结论
当堆填边界距离桩基较近时，会明显改变原有地应力场平衡，堆填形成的边坡有滑坍趋势，从而对近场桩基产生影响。对于已建输电塔桩基设计时没有考虑由堆填或开挖产生的侧向附加变形及附加内力时，桩身产生的弯曲变形会导致桩身产生一定的损伤开裂。所以在输电塔桩基附近开展施工工程时，需要结合输电塔桩基的安全等级合理确定工程活动与桩基的安全距离。
参考文献：
[1] 《桩基工程手册》编写委员会. 桩基工程手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1995.
[2] 杨石飞. 大面积土体堆载地基变形一般规律分析[J]. 上海地质，2010，31（1）：16-20.
[3] 高昂，宋二祥. 地面堆载引起桩基负摩擦力的分布特性分析[J].建筑技术，2014，45（9）：824–828.
[4] 冯晓丹. 地面堆载对桩基承载力的影响研究[J].建筑技术，2018，49（08）：806-809.
[5] 郭亚磊. 软土地区桩侧堆载对桩身侧向变形的影响研究[D].中国铁道科学研究院，2017.
[6] 陈欢. 软土地基上堆载工程对既有高速铁路桥梁桩基影响及其控制技术研究[D].东南大学，2017.
论文作者:刘燕平
论文发表刊物:《防护工程》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/27
标签：桩基论文; 塑性论文; 荷载论文; 模型论文; 位移论文; 土层论文; 弹性模量论文; 《防护工程》2018年第32期论文;