軟粘土地層橋臺(tái)樁基礎(chǔ)沉降分析

文/劉熾 鄭州新鄭綜合保稅區(qū)（鄭州航空港區(qū)）興港投資集團(tuán)有限公司　河南鄭州　451162

軟粘土地層橋臺(tái)樁基礎(chǔ)沉降分析

文/劉熾 鄭州新鄭綜合保稅區(qū)（鄭州航空港區(qū)）興港投資集團(tuán)有限公司河南鄭州451162

在粘土地層修筑結(jié)構(gòu)物時(shí)，由于地層的特殊性，極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的沉降，尤其是在橋梁樁基施工時(shí)，沉降可能導(dǎo)致橋臺(tái)坍塌，因此，以某軟粘土地層橋臺(tái)樁基礎(chǔ)施工工程為依托，采用數(shù)值模擬方法，研究了軟粘土地層橋梁樁基礎(chǔ)的沉降特性。結(jié)果顯示，樁基礎(chǔ)的最大沉降量為0.68cm，沉降特點(diǎn)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。

橋梁工程 粘土固結(jié) 橋臺(tái) 鉆孔灌注樁 數(shù)值模擬 沉降

引言

在軟土地基路橋過渡段，橋臺(tái)通常采用樁基礎(chǔ)形式，其自重直接作用于軟土地基上，致使橋臺(tái)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(xué)術(shù)界的重點(diǎn)和難點(diǎn)。張宏[1]通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析研究了高速鐵路軟土地基橋梁樁基礎(chǔ)的沉降。王波[2]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及有限元分析手段對(duì)橋臺(tái)樁負(fù)摩阻力進(jìn)行了研究。梁?jiǎn)埖萚3]應(yīng)用有限元方法分析研究了橋臺(tái)樁基礎(chǔ)沉降。郭志川和劉寧[4]分析研究了地基固結(jié)沉降隨機(jī)有限元計(jì)算和可靠度。但在眾多研究?jī)?nèi)容中，針對(duì)軟土地層橋臺(tái)樁基礎(chǔ)沉降的研究較為鮮見。基于此，本文依據(jù)比奧勾結(jié)理論，采用有限元數(shù)值模擬方法，分析研究軟弱地基橋臺(tái)樁基礎(chǔ)臺(tái)后路堤填筑過程中橋臺(tái)樁基礎(chǔ)的沉降特性。

1、工程概況

某橋臺(tái)位于太湖湖積平原，地形平坦，地面標(biāo)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(tái)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(tái)基礎(chǔ)和樁參數(shù)：基礎(chǔ)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(zhǎng)43m、樁的縱向間距2.7m、橫向間距3.2m。

2、數(shù)值模擬

2.1基本假定

使用MIDAS NX 有限元模擬軟件，淤泥質(zhì)粘土滿足修正劍橋粘土屈服準(zhǔn)則，其他土層滿足摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，橋臺(tái)、基礎(chǔ)板、樁基礎(chǔ)滿足彈性變形特性，鉆孔灌注樁樁體采用梁?jiǎn)卧M，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(yīng)，采用三維模型進(jìn)行模擬。

2.2參數(shù)選取

選用某高速鐵路橋臺(tái)樁基礎(chǔ)所處區(qū)域地層取樣實(shí)驗(yàn)參數(shù)和橋臺(tái)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)，樁界面單元和樁端界面單元參數(shù)采用實(shí)驗(yàn)室條件下粘土-樁荷載實(shí)驗(yàn)所得參數(shù)，模型參數(shù)見表1、表2，有限元模型見圖1。

表1　模型材料參數(shù)

表2　模型界面單元參數(shù)

圖1　土層模型網(wǎng)格

3、結(jié)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(cè)沉降較大而遠(yuǎn)離路堤的一側(cè)沉降較小；②基礎(chǔ)板遠(yuǎn)離路堤的一側(cè)沉降較小為1.25cm，靠近路堤的一側(cè)沉降值較大為4.79cm。

圖2　樁體豎向位移

提取樁1-1至樁3-4，共計(jì)12根樁樁頂沉降值，繪出樁豎向位移隨施工時(shí)間的變化曲線如圖3，由圖可知在橋臺(tái)施做階段，各樁的差異沉降較小，在橋臺(tái)施做10天時(shí)，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(zhǎng)主要發(fā)生在路堤填筑階段，其差異特點(diǎn)為后排樁的沉降值明顯大于前排樁，路堤填筑完成時(shí)，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。

圖3　樁頂豎向位移

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

圖4　樁體相對(duì)位移

由圖2和圖4可知樁體沉降的最大值和相對(duì)位移值出現(xiàn)在3-2樁上，故提取3-2樁上各點(diǎn)為研究對(duì)象分析3-2樁相對(duì)位移和總沉降值沿Z坐標(biāo)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(duì)位移值隨著Z軸的延伸呈向正值發(fā)展的趨勢(shì)，其中Z=-5～-11m范圍，樁體相對(duì)位移向正值發(fā)展的幅度較大，在橋臺(tái)施做10天時(shí)，該范圍相對(duì)位移從-1.45cm增加到0.2cm，在路堤填筑60天時(shí)，該范圍相對(duì)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(duì)位移增加0.04cm。路堤填筑60天的樁體總沉降值大于橋臺(tái)施做10天的總沉降值，而相對(duì)位移曲線在Z=-9m附近發(fā)生交叉。

圖5　樁豎向位移

結(jié)語：

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，樁體沉降的特點(diǎn)表現(xiàn)為前排樁大于后排樁，中間樁大于兩側(cè)樁，群樁沉降的最大值出現(xiàn)在3-2號(hào)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。

[1]張宏 高速鐵路軟土地基橋梁樁基礎(chǔ)的沉降分析[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2008.

[2]王波 橋臺(tái)樁負(fù)摩阻力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及有限元分析[D].南京：河海大學(xué),2006.

[3]梁?jiǎn)?謝志勇,寧貴霞.橋臺(tái)樁基礎(chǔ)沉降的有限元分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2008,20(1):152-155.

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