墩高變化下高墩雙排樁承載特性的有限元分析

鄭建強

湖北工業大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430068

0 引言

公路跨越河流、山谷的需求和保護當地自然環境、減少山體開挖的要求[1,2]，使得高墩橋梁樁基在西部大開發的公路建設中得到廣泛的應用。但是對于高陡邊坡高墩雙排樁的研究遠沒有普通樁基的研究深入和廣泛[3]。在規范中也缺少對高墩雙排樁設計和施工的明確指導[4-6]。為了更為深入的研究高墩雙排樁的承載特性，本文運用大型有限元計算軟件ADINA從墩高變化的角度研究了邊坡高墩雙排樁樁的承載特性。

1 建模

1.1 幾何模型

結合工程實例本文將樁周土體分為3層，厚度分別為22m、18m、20m，從上至下依次為強風化巖層、中風化巖層、微風化巖層；整個模型長60m，厚40m（x方向）；雙排樁所在邊坡坡度為45°。雙排樁直徑為1.5m，樁長44m，在樁頂和樁身中段各有一根聯系梁；樁間距為7m；嵌巖深度4m。雙排樁基具體定位見圖1。

結合工程實例，在樁頂加豎向荷載60MN、順橋荷載600kN、坡頂荷載6000kPa，用來模擬樁基在復雜荷載作用下的承載特性。在計算步驟上分十步將荷載等步長加載上去，在模型四周設立垂直模型表面的約束，但是定義坡頂和坡面為自由面。對巖體采用長度為4m的4節點三棱錐單元劃分，樁身采用長0.5m的三棱錐單元劃分，對樁土接觸面的巖體用0.5m的長度進行加密劃分，對樁端和樁頂用0.1m的長度進行加密劃分。巖體采用Mohr-Coulomb模型，樁身材料定義為各向同性材料，各土層和樁身的材料參數見表1。

圖1 樁基平面布置圖（yz平面圖）

材料 彈性模量E（Pa）泊松比μ粘聚力c（Pa）內摩擦角φ（°）容重ρ（kN/m3）樁身 2.8e10 0.23 22強風化巖層 5e9 0.3 1.4e6 21 19

表1 材料參數表

1.2 樁土接觸面算法

樁土接觸面的定義是樁土相互作用有限元計算中的一個難點。ADINA中提供了約束函數法、段片法、剛性目標法3種方法計算接觸問題，這些算法能很好的解決物體間的無摩擦粘結問題、摩擦問題、多次接觸和分離等接觸問題。在計算樁土接觸問題時本文選用最常用的約束函數法，其法相約束函數表達式為：

式中：g—空隙；

λ—法向接觸力；

ε—一個小參數。

摩擦約束函數為：

式中：

ε—能為庫倫摩擦定律提供一定“彈性”的小參數。

2 計算結果分析

在保持其他條件不變的情況下，分別對墩高為5m、10m、15m、20m的工況進行計算分析。

圖2 雙排樁豎向應力場

由圖2可發現樁基豎向應力沿樁基是樁身逐層遞減的。相同位置處的樁身豎向應力，前排樁較后排樁大，這是因為前排樁的入土深度較后排樁小，相同位置處的樁側摩阻力前排樁較后排樁小。由圖3還可發現橫梁與樁基的交接處是應力集中地地方。橫梁的存在改變了樁頂荷載在前、后排樁間的分配，樁基最大豎向應力不在樁頂而是出現在后排樁的中間橫梁位置處。所以橫梁與樁基的連接處在施工時應做加強處理。樁頂水平荷載的存在使得樁墩具有懸臂梁的效果，改變了樁基順橋荷載兩側應力分布，使得樁基兩側應力一側大，一側較小，且使得樁基最大豎向應力出現在中間橫梁與樁基交接處。

圖3 樁頂位移

由圖3可發現隨著墩高的增加，樁頂的豎向位移和水平位移都增加，但是樁頂豎向位移隨墩高基本呈線性增加，樁頂水平位移隨墩高呈非線性增加。對于嵌巖樁而言樁頂豎向位移主要由樁身壓縮量和樁端巖層壓縮量組成，所以樁頂豎向位移與墩高呈線性增加的關系。露出地面的高墩對樁頂順橋荷載的作用起到放大的作用。在樁頂荷載不變的情況下，墩越高，樁土接觸面處的附加彎矩越大，樁土交界面處的位移和轉角越大，所以樁頂水平位移越大。

前排樁的樁頂豎向位移和水平位移都較后排樁大。前排樁相對于后排樁而言有一段懸空段，這使得前排樁的樁側摩阻力和樁周土體抗力都較后排樁小，所以前排樁的樁頂豎向位移和水平位移都較后排樁大。

前排樁與后排樁的豎向位移的差值隨墩高的增加變化不大。這說明樁頂荷載是前后排樁豎向位移差值的決定條件，墩高的變化雖然能夠改變前后排樁的樁頂位移，但是對前后排樁的豎向位移差值的影響不大。當墩高由5m變為20m時，前后排樁的樁頂水平位移差值由21mm升高到47mm，相對于樁頂豎向位移的差值而言，變化較大。

經計算研究發現，樁頂y方向（順坡方向）的位移較順橋方向的位移而言很小。這說明對于巖質邊坡而言，樁頂的水平位移主要是由樁頂順橋荷載引起的，坡頂荷載對樁基的影響較小。

4 結論

1）樁基豎向應力沿樁身逐層遞減。最大應力出現在中間橫梁和樁身的連接位置；

2）前排樁的樁頂豎向位移和水平位移都較后排樁大；

3）隨著墩高的增加，樁頂豎向位移和水平位移都增加。樁頂豎向位移與墩高呈線性增長關系；樁頂水平位移與墩高呈非線性增長關系；

4）樁頂水平位移主要受樁頂水平位移的影響，與坡頂荷載的關系不大。

[1]鄒新軍，趙明華.高承臺嵌巖灌注樁屈曲穩定分析的能量法統一解及工程應用[J].公路工程，2007，32(4)：1-4.

[2]蔣鵬飛，楊明輝，趙明華，等.陡坡段橋梁基樁嵌巖深度問題研究[J].公路工程，2007，32(5)：10-13.

[3]蔣沖.山區高橋墩一樁基結構體系承載特性及其分析方法研究[D].湖南大學博士學位論文，2008，3.

[4]中華人民共和國建設部.JGJ 94- 2008建筑樁基技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[5]中華人民共和國建設部.GB 50007-2002建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑資訊網.

[6]鐵道第三勘察設計院.TB10002.5-2005鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.