武漢鸚鵡洲長江大橋1＃墩群樁承載特性分析

時一波，萬昌中，何少華，熊 浩，鄧友生

（1中鐵大橋局集團第六工程有限公司，湖北 武漢430100；2湖北工業大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢430068）

群樁基礎具有承載能力高、穩定性好、沉降小而均勻、抗震性能好等優點，被廣泛用作橋梁樁基［1］.群樁基礎的橋梁結構中，較大的基礎沉降會引起橋梁線形變化，導致結構受力的改變，危及整個結構的安全，其沉降及承載特性是人們關注的重點.群樁基礎沉降問題是一個承臺、群樁、土共同作用的問題，其受力狀態非常復雜，荷載傳遞過程受樁的類型、樁的設置方式、土的特性等許多因素的影響［2］.現工程中常用的計算方法有等代墩基法、效率系數法、彈性理論法、剪切位移法等，這些方法在計算時各有優缺點，但對上述影響因素的反映都不夠全面和完善.近年來，隨著有限元數值分析求解技術的應用日益成熟，在處理大量的復雜實際工程問題時都取得了較好的成果，因而得到了日益廣泛的重視［3－6］.

本文利用美國大型商業通用計算軟件ADINA，采用三維彈塑性接觸非線性有限元方法，對鸚鵡洲長江大橋北塔（漢陽側）群樁基礎進行數值計算，對群樁在荷載條件下的豎向位移分布，以及樁周土體參數對樁基承載特性的影響進行了深入分析.

1 工程概況

武漢鸚鵡洲長江大橋為武漢新環線主要工程，大橋為三塔四跨（200m＋850m＋850m＋200m）懸索橋形式.北塔柱全高126.2m，基礎采用低樁承臺，承臺下為44根2.0m鉆孔灌注樁，鉆孔樁沿縱橋向12排、沿橫橋向5排，樁間距為5.5m，樁底高程－68.5m、樁長75.0m，樁基布置見圖1.

圖1 1＃墩主塔樁基礎布置

2 三維數值模擬方法

2.1 地質特征和計算參數選取

工程場區地層主要有第四系全新統沖積層、志留系～三疊系的砂巖、泥巖、灰巖、白云巖等.其中，第四系地層表部為硬塑狀粘性土，其下為軟塑狀粘性土及松散～中密狀細砂，底部為密實狀細中砂，局部為密實狀圓礫土.基巖中：泥質粉砂巖、泥巖，質軟、裂隙發育，泡水易軟化；灰巖及白云巖巖質硬，巖 溶發育，賦存巖溶水，具體地質特征見表1.

表1 1＃墩巖土體工程地質特征

在計算時根據上述各土層性質，將地質層簡化為兩層，上部主要為黏土和砂層，承載性能較差，性質相似；下部為圓礫土和風化巖層，承載性能較好.土層及樁的具體材料參數見表2.

表2 模型材料參數

2.2 模型的選用及網格劃分

由于樁、承臺的剛度較土體剛度大很多，在計算過程中假定樁體、承臺始終處于彈性狀態，采用線性彈性空間4節點實體單元來模擬；近域土體采用Mohr－Coulomb屈服準則.模型按1∶1的比例進行建模分析，土層一、二分別厚40m、50m.由于該模型為對稱模型，故建模時，僅選取其中一半進行建模.

考慮到既減少計算量同時避免邊界條件對計算結果精度產生影響，模型長寬均取50m.計算中荷載與樁頂設計承受荷載相同，均為46MN，計算荷載分10個等分步逐步加載.土層的變形靠近樁側較大，在劃分網格時模型外側土層劃分長度取4m，樁土接觸面處則以1m為單位進行劃分.承臺的劃分長度為2m，樁身劃分單位1m.所有劃分單元均采用空間四面體實體單元.模型網格圖見圖2和圖3.

3 計算結果

3.1 樁基沉降與應力分布

圖4、圖5分別為樁身沉降分布和豎向應力分布圖，如圖可知啞鈴型群樁基礎的沉降中間較兩側大，這說明群樁基礎中，內側樁基所承擔的荷載較兩側樁基大.樁基最大位移為185.8mm，樁基最小位移136.8mm，樁身壓縮量為9.36mm.樁身的豎向應力則是沿樁身逐漸遞減的，當荷載作用時，樁身會與土體發生相對位移，土體對樁身的摩阻力會阻礙樁身向下的運動趨勢，同時減小樁身的豎向應力.同時還可以發現，樁端的應力變化梯度大，樁端的受力狀態復雜，由于該樁為摩擦樁，可以看到樁端的應力明顯小于樁頂.

圖6為樁基最大沉降與加載步之間的關系，可發現在加載前期樁基最大位移與樁頂荷載呈線性關系，這說明在加載前期樁周土體處于彈性狀態.當荷載加大，樁周土體逐漸發生塑性破壞，樁基沉降速度加快.

圖6 群樁基礎荷載－沉降關系曲線

3.2 土體特性與群樁基礎承載特性分析

樁周土體性質對樁的承載特性影響很大，在計算過程中，將土體定義為一種材料，在土體其他參數不變的情況下，依次改變土體彈性模量、粘聚力和內摩察角三個重要參數，計算了這三個因素的改變對群樁承載力的影響.

依次取樁周土體彈性模量26MPa、27MPa、28 MPa、29MPa進行分析，依據計算結果繪制樁身沉降與樁周土體彈性模量之間的關系圖，如圖7，可發現隨著樁周土體彈性模量的增加，樁基的沉降減小，在樁周土體處于彈性狀態時，這種變化趨勢不明顯.隨著時間步距的增加，樁頂荷載增加，樁頂荷載逐漸出現差別.隨著樁周土體彈性模量的增加，樁頂的最終荷載逐漸減小，樁周土體彈性模量26MPa、27 MPa、28MPa、29MPa對應的樁頂最大豎向位移分別為153.7mm、148.4mm、143.4mm、138.7mm.

圖7 樁身沉降與樁周土體彈性模量的關系曲線

依次取樁周土體粘聚力為20kPa，30kPa，40 kPa，50kPa，依據計算結果繪制樁身位移與樁周土體粘聚力之間的關系，如圖8，在開始階段樁身位移基本相當，且不同粘聚力對應的樁頂位移是基本相等的.隨著時間步距的增加，樁頂荷載增加，樁頂荷載逐漸出現差別.隨著粘聚力的增加，樁頂的最終荷載逐漸減小，粘聚力20kPa時對應的最大沉降量為228.4mm，粘聚力50kPa時對應的最大沉降量為145.2mm.粘聚力越大樁土接觸面處越是不易出現塑性破壞，樁基的最大承載力也將變大.

圖8 樁身沉降與樁周土體粘聚力的關系曲線

在其他參數不變的情況下計算樁周土體內摩擦角與樁基承載特性之間的關系，依次取樁周土體內摩擦角5°、10°、15°、20°進行分析.依據計算結果繪制樁身位移與樁周土體內摩擦角之間的關系（圖9）.

圖9 樁身沉降與樁周土體內摩擦角的關系曲線

由圖9可看出，在加載初期，樁頂位移與樁頂荷載之間基本呈線性關系，且不同內摩擦角對應的樁頂位移也基本相當.內摩擦角5°、10°、15°、20°對應的樁頂最大位移分別是232.1mm、211.9mm、183 mm、162.3mm，內摩擦角越大，樁身位移拐點對應的樁頂荷載越大，也就是說樁基最大承載力隨著內摩擦角的增大而增大.

4 結論

1）在本工程群樁基礎沉降計算中，由于啞鈴型承臺兩塔柱中間部分承擔的荷載較周圍大，其計算值的大小分布并不均勻；該樁為摩擦樁，樁端應力明顯小于樁頂，樁身的豎向應力則是沿樁身逐漸遞減的，樁端的應力分布復雜，變化梯度大.

2）樁周土體彈性模量、粘聚力和內摩擦角的增加，均能增加樁基承載能力.隨著上述土體參數的增加，位移曲線拐點所對應的荷載增大，樁基最大沉降量減小，上述參數最大取值較最小取值時最大沉降量分別減小9.8%、36.4%、30.0%.

［1］鄭培云.大直徑超長灌注樁群樁基礎沉降的三維非線性有限元分析［D］.南京：河海大學圖書館，2005.

［2］鄧友生，龔維明，袁愛民.超長大直徑群樁沉降計算方法探討［J］.鐵道學報，2007，29（4）：87.

［3］許江波，鄭穎人，趙尚毅，等.有限元與極限分析法計算樁后推力的分析與比較［J］.巖土工程學報，2010，32（9）：1 380－1 385.

［4］夏力農，苗云東，談鐵強.帶承臺群樁負摩阻力性狀的三維有限元分析［J］.巖土力學，2012，33（3）：887－882.

［5］汪 優，劉建華，王星華.軟土地層橋梁群樁基礎樁土共同作用性狀的非線性有限元分析［J］.巖土力學，2012，33（3）：945－951.

［6］鄧友生，龔維明.蘇通大橋主塔超大群樁基礎沉降特性研究［J］.武漢理工大學學報，2008，30（7）：66－70.