樹根樁加固橋梁樁基效果及影響參數分析

■ 朱庚申

(云南省設計院集團有限公司， 昆明 650228)

樹根樁作為鉆孔灌注樁的一種，廣泛應用于托換等工程當中。 近年來國內學者對該方法做了一些研究：丁浩、邱發波等[1-2]以某黃土鐵路隧道為例，采用有限元方法對隧底有無樹根樁加固的2 種工況進行數值模擬， 研究樹根樁對隧道基底的加固效果，結果表明樹根樁在較大程度上提高了土層的承載力，加固效果明顯。 肖顏、王曉歡等[3-4]以廣州市某跨高速公路高架橋在橋梁鉆孔灌注成樁后部分樁基承載力過低為研究背景， 通過進行注漿技術和樹根樁法處理后使其承載力大大提升， 研究結果可為以后類似的工程提供參考和借鑒。 李澤源、王濤等[5-6]認為樹根樁加固因其獨特的樁式托換形式具有很多優點，并結合工程實例分析了樹根樁在其隧道進出口松散堆積體加固中的應用和作用。 林熠鈿、高建新等[7-8]根據樹根樁、化學灌漿及土釘墻3 種邊坡加固的工作機理，認為在樹根樁成孔的同時也作為化學灌漿孔并采用灌漿工藝成樁來增加樁的摩阻力、改善土的結構和提高土的承載力，之后可再采用土釘墻加固保證邊坡的整體性，最終通過實際工程監測數據可以看出采用這種方法加固邊坡已取得良好的效果。 本文主要以某跨河橋墩加固為研究對象，采用有限元軟件ANSYS 建模分析，重點分析采用樹根樁加固前后橋墩變形及周圍土體的應力變化，并從樁長、樁徑及摩擦系數等3 個方面對影響樹根樁的應力和變形規律進行了詳細分析，研究結果可為類似工程設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某地區一大橋擬采用樹根樁進行加固處理，該大橋為單橋墩橋梁，全長213.4 m，線路南高北低，坡度約為4‰，原始設計中橋墩采用擴大基礎。 本文以5#橋墩作為研究對象，已知該橋墩埋深約14.5 m，區域內土質主要為黃土、中砂和片麻巖，其中橋墩基礎坐落在中砂土層內，如圖1 所示。 由于臨近大橋區存在一水庫，每年在夏季雨水充足時橋墩會因水庫蓄水而被淹沒，橋墩長期在水流浸泡之下勢必會影響其安全性，本文便基于此采用樹根樁進行加固處理。

圖1 橋梁樁基與土體位置關系示意圖

2 數值建模

圖2 為采用有限元軟件ANAYS 建立的數值模型，圖中僅取了1/4 部分進行展示?？紤]到模型的邊界效應，模型的長寬高分別取60 m、50 m 和30 m，橋墩樁體、 承臺和樹根樁采用SOLID 65 號實體單元進行模擬處理，本構模型采取線彈性模型；其余土體采用SOLID 45 實體單元進行模擬， 本構模型采取D-P 模型。 除上邊界以外，其他邊界均進行位移約束，以模擬半無限體。 表1 給出了土體材料的彈性模量、摩擦角、重度、泊松比及粘聚力等。 表2給出了樁基、基礎及承臺的力學參數。 由于在建模過程中作了簡化處理， 未曾將橋梁上部橋面和列車動載考慮其中，因此，本文參考相關規范在橋墩上方施加大小1.2×107N 的豎向荷載， 在墩頂水平向施加1.0×105N 的橫向荷載。 樹根樁的樁徑取20 cm，樁長取8.0 m，樁間距取0.6 m，樁土間采用接觸單元，黃土層、中砂層和片麻巖層的摩擦系數MU 分別取0.5、0.7 和2.0。

圖2 數值模型圖

表1 土體的物理力學參數

表2 樁基、基礎以及承臺的力學參數

3 數值結果分析

3.1 加固前后變形對比分析

由于橋墩在蓄水作用下安全性能最差，本文即考慮蓄水狀態下的橋墩進行分析。 根據文獻[4]的相關研究，土體在浸泡之后，可以認為把土體的彈模、粘聚力內摩擦角降低為原始值的2/3， 土體重度取有效重度進行計算。 圖3 為加固前的蓄水后整體和單獨橋墩的豎向位移圖，由圖可知，橋墩最大沉降為10.8 mm，除去基底先期沉降值2.71 mm，最終橋墩的豎向沉降值為8.09 mm。 此外，由圖3(b)可知，樁頂的沉降最大，沉降隨著標高的減小而降低。

圖3 蓄水后豎向位移圖

由于篇幅有限，對于加固后的豎向云圖不再給出， 表3 給出了加固前后各個土層的應力變化，由表可知，對于黃土和中砂土層，加固之后土體的最大豎向和水平應力均減小，而片麻巖層的最大豎向和水平應力均增大， 說明采用樹根樁加固橋墩之后，使得大部分荷載通過樹根樁傳遞到了承載能力較好的片麻巖層， 這對于橋墩穩定性具有重要意義。 表4 為加固前后橋墩頂部變形，由表可知，在加固之后，橋墩的頂部豎向沉降和橫向位移分別減小了57.2%和56.5%， 說明樹根樁加固起到了良好的加固效果。

表3 加固前后土層應力變化

表4 加固前后橋墩頂部變形

3.2 影響樹根樁加固效果的參數分析

影響樹根樁加固效果的因素有很多， 其中樁長、 樁徑和摩擦系數是3 個最主要的且常見的因素；下面對這3 個參數進行詳細分析，樁頂部位施加6 MPa 均布荷載，其他同上。

3.2.1 樁長對單樁變形影響分析

本節中選取樁長為7.5 m、8.0 m、8.5 m、9.0 m的4 種工況， 圖4 為不同樁長時的樁土豎向應力圖，由圖可知，在樁長為7.5 m 時，最大應力發生在樁端位置， 即此時荷載主要由樁端摩阻力承擔，由樁側摩阻力承擔的較少，隨著樁長的增加，當樁長為8.0 m 和8.5 m 時，最大應力發生在樁身，說明此時由樁側摩阻力來承擔大部分荷載， 同時樁端也承擔一部分的荷載，當樁長為9.0 m 時，可以發現此時樁端應力最小， 上部主要荷載是由上側樁的樁側摩阻力來承擔。 綜上可知，樁長過段不能有效發揮樁側的摩阻力，一定程度上增加樁長，可以使得樁側和樁端共同承擔荷載， 但是過長的樁基可能影響下部樁側摩阻力的發揮， 從而產生負摩阻力等不利影響。

圖5 為樁長對樁頂沉降影響曲線， 由圖可知，改變樁長，樁頂沉降變化不明顯，尤其是當樁長取9.0 m 時，樁頂沉降還有增大的趨勢，因此，僅從樁頂沉降來說，過度的增大樁長可能帶來不利的影響。

圖4 不同樁長時的樁土豎向應力圖

圖5 樁長對樁頂沉降影響曲線

3.2.2 樁徑對單樁變形影響分析

本節中選取樁徑為0.15 m、0.20 m 和0.25 m的3 種工況， 圖6 為不同樁徑時的樁土豎向應力圖，由圖可知，隨著樁徑的增大，片麻巖層區域的應力逐漸減小，說明樁徑的增大有效地增大了黃土層和中砂層的承載能力；同時，隨著樁徑的增大，樁與周圍土體的接觸面積增大，使得樁側摩阻力發揮更加明顯，樁底應力不斷減小，因此，增大樁徑對于提高樁基的承載力具有積極的作用。時，樁徑取0.20 m 和0.25 m 時樁頂沉降分別減小了47.1%和63.3%， 說明增大樁徑能夠有效減小樁頂沉降，這對于提高橋墩穩定性具有重要意義。

圖6 不同樁徑時的樁土豎向應力圖

圖7 樁徑對樁頂沉降影響曲線

3.2.3 摩擦系數對單樁變形影響分析

本節中選取摩擦系數為1.0、2.0、和3.0 的3 種工況， 圖8 為不同摩擦系數時的樁土豎向應力圖，由圖可知，當摩擦系數取1.0 時，樁端承受著較大的荷載，并且片麻巖層應力也較大，隨著摩擦的增大，樁側摩阻力開始占據主導地位，樁端阻力開始減小，且片麻巖層應力也逐漸減小， 說明隨著摩擦系數的增大，樁與周圍土體的接觸力增大，使得樁側摩阻力發揮更加明顯，樁底應力不斷減小，因此，增大摩擦系對于提高樁基的承載力具有積極的作用。

圖9 為摩擦系數對樁頂沉降影響曲線，由圖可知，增大摩擦系數，樁頂沉降逐漸減小，相對于摩擦系數取1.0 時，摩擦系數取2.0 和3.0 時樁頂沉降分別減小了3.5%和4.6%， 說明增大摩擦系數能夠減小樁頂沉降。

圖8 不同摩擦系數時的樁土豎向應力圖

圖9 摩擦系數對樁頂沉降影響曲線

4 結論

本文以某跨河橋墩加固為研究對象，采用有限元軟件ANSYS 建模分析， 重點分析采用樹根樁加固前后橋墩變形及周圍土體的應力變化， 并從樁長、樁徑及摩擦系數等3 個方面對影響樹根樁的應力和變形規律進行了詳細分析，得到以下結論：

(1)采用樹根樁加固橋墩之后，使得大部分荷載通過樹根樁傳遞到了承載能力較好的片麻巖層；加固后橋墩的頂部豎向沉降和橫向位移分別減小了57.2%和56.5%， 說明樹根樁加固起到了良好的加固效果。

(2)合理地增加樁長，可以使得樁側和樁端共同承擔荷載，但是過長的樁基可能產生負摩阻力等不利影響，且改變樁長對樁頂沉降影響不明顯。

(3)隨著樁徑的增大，樁與周圍土體的接觸面積增大，使得樁側摩阻力發揮更加明顯，且增大樁徑能夠有效減小樁頂沉降。 因此，增大樁徑對于提高樁基的承載力和橋墩穩定性具有重要意義。

(4) 增大摩擦系對于提高樁基的承載力和減小樁頂沉降具有積極地作用。