軟粘土地層橋臺樁基礎沉降分析

劉熾

【摘要】在粘土地層修筑結構物時，由于地層的特殊性，極易導致結構物的沉降，尤其是在橋梁樁基施工時，沉降可能導致橋臺坍塌，因此，以某軟粘土地層橋臺樁基礎施工工程為依托，采用數值模擬方法，研究了軟粘土地層橋梁樁基礎的沉降特性。結果顯示，樁基礎的最大沉降量為0.68cm，沉降特點為后排樁大于前排樁，中間兩列樁大于左右兩邊樁，沉降值的增加主要發(fā)生在路堤填筑施工階段。

【關鍵詞】橋梁工程 粘土固結 橋臺 鉆孔灌注樁 數值模擬 沉降

引言

在軟土地基路橋過渡段，橋臺通常采用樁基礎形式，其自重直接作用于軟土地基上，致使橋臺和路堤填料在竣工后也可能發(fā)生較大的沉降變形。樁基沉降問題一直以來都是工程界和學術界的重點和難點。張宏[1]通過現場測試分析研究了高速鐵路軟土地基橋梁樁基礎的沉降。王波[2]通過現場試驗及有限元分析手段對橋臺樁負摩阻力進行了研究。梁啟龍等[3]應用有限元方法分析研究了橋臺樁基礎沉降。郭志川和劉寧[4]分析研究了地基固結沉降隨機有限元計算和可靠度。但在眾多研究內容中，針對軟土地層橋臺樁基礎沉降的研究較為鮮見。基于此，本文依據比奧勾結理論，采用有限元數值模擬方法，分析研究軟弱地基橋臺樁基礎臺后路堤填筑過程中橋臺樁基礎的沉降特性。

1、工程概況

某橋臺位于太湖湖積平原，地形平坦，地面標高2.5m左右，年平均降雨量144cm左右，年平均氣溫4.5～16.3°C。橋臺所處地段軟土層厚度較大，最厚14.6m、最薄10.0m，軟土與硬殼層界限穩(wěn)定，但與下臥層的交界面有一定的起伏，呈傾斜狀，下臥層為中等壓縮性。

橋臺基礎和樁參數：基礎板尺寸8.5×10.2m，厚度2.0m，12根（3×4）鉆孔灌注樁、樁徑1m、樁長43m、樁的縱向間距2.7m、橫向間距3.2m。

2、數值模擬

2.1基本假定

使用MIDAS NX 有限元模擬軟件，淤泥質粘土滿足修正劍橋粘土屈服準則，其他土層滿足摩爾-庫倫屈服準則，橋臺、基礎板、樁基礎滿足彈性變形特性，鉆孔灌注樁樁體采用梁單元模擬，樁-土接觸采用樁界面單元和樁端界面單元模擬，地層水位在Z=-2m處，考慮空間效應，采用三維模型進行模擬。

2.2參數選取

選用某高速鐵路橋臺樁基礎所處區(qū)域地層取樣實驗參數和橋臺樁基礎設計參數，樁界面單元和樁端界面單元參數采用實驗室條件下粘土-樁荷載實驗所得參數，模型參數見表1、表2，有限元模型見圖1。

3、結果及分析

由圖2可知：①第一排樁沉降值<第二排樁沉降值<第三排樁沉降值，樁體的豎向位移最大值發(fā)生在3-2樁頂位置，為0.68cm，由此說明隨著路堤填筑施工，樁體緊靠路堤的一側沉降較大而遠離路堤的一側沉降較小；②基礎板遠離路堤的一側沉降較小為1.25cm，靠近路堤的一側沉降值較大為4.79cm。

提取樁1-1至樁3-4，共計12根樁樁頂沉降值，繪出樁豎向位移隨施工時間的變化曲線如圖3，由圖可知在橋臺施做階段，各樁的差異沉降較小，在橋臺施做10天時，最大差異沉降為0.05cm，其中第二和第三排樁中間2-2、2-3、3-2、3-3的沉降值基本相等，沉降較大。兩邊2-1、2-4、3-1、3-4的沉降值基本相等，沉降較小。差異沉降的增長主要發(fā)生在路堤填筑階段，其差異特點為后排樁的沉降值明顯大于前排樁，路堤填筑完成時，最大差異沉降為0.31cm，各排樁中，中間兩根樁的沉降值相等且較大，兩邊的樁沉降值較小。

由圖4樁體相對位移，可知樁體相對位移的最大值發(fā)生在樁頂一端為負值，樁體相對位移絕對值：第一排樁<第二排樁<第三排樁，樁體相對位移大約在Z=-9m（樁頂坐標為Z=-2）處發(fā)展為正值，雖大相對位移出現在3-2樁上為-3.5cm。

由圖2和圖4可知樁體沉降的最大值和相對位移值出現在3-2樁上，故提取3-2樁上各點為研究對象分析3-2樁相對位移和總沉降值沿Z坐標上的分布（樁頂位于Z=-2m處）。由圖5可知，樁體的豎向總位移值和相對位移值隨著Z軸的延伸呈向正值發(fā)展的趨勢，其中Z=-5～-11m范圍，樁體相對位移向正值發(fā)展的幅度較大，在橋臺施做10天時，該范圍相對位移從-1.45cm增加到0.2cm，在路堤填筑60天時，該范圍相對位移從-3.27cm增加到0.36cm。路堤填筑完成兩年后，樁體的總沉降值增加0.005cm，相對位移增加0.04cm。路堤填筑60天的樁體總沉降值大于橋臺施做10天的總沉降值，而相對位移曲線在Z=-9m附近發(fā)生交叉。

結語：

數值模擬結果顯示，樁體沉降的特點表現為前排樁大于后排樁，中間樁大于兩側樁，群樁沉降的最大值出現在3-2號樁的樁頂位置為4.79cm。土層在Z=-2～-9m范圍沉降值較大且大于樁體沉降值，在Z=-9～-45m范圍沉降較小且小于樁體沉降值。

參考文獻：

[1]張宏 高速鐵路軟土地基橋梁樁基礎的沉降分析[D].長沙：中南大學，2008.

[2]王波 橋臺樁負摩阻力現場試驗及有限元分析[D].南京：河海大學，2006.

[3]梁啟龍，謝志勇，寧貴霞.橋臺樁基礎沉降的有限元分析[J].甘肅科學學報，2008，20（1）：152-155.

[4]郭志川，劉寧.地基固結沉降隨機有限元計算和可靠度分析[J].巖土力學，2001，22（4）：481-485.