考慮樁側摩阻力的橋樁單側開挖穩定性精細化數值模擬分析

許修亮，唐 凱，呂世明，郭 丹，沈才華，郭金勇

(1.保利長大海外工程有限公司，廣州 510623；2.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210024)

航運是我國綜合交通的主要部分，具有運量大、成本低、污染少的優點，隨著航運事業的發展，航道升級改造也成為新的發展需要[1-2]。在航道改造工程中，航道的拓寬及開挖造成土體卸荷，土體產生側向移動，導致樁基產生側向位移和彎矩，從而對橋梁整體的安全性和穩定性造成威脅[3-4]。沿海地區的航道工程多位于軟土地區，且早期跨航道橋梁中單排墩柱式基礎較多，其結構體系較薄弱[5]，需要在航道改造施工過程中對其周邊進行有效的加固以保證其穩定性。

拉森鋼板樁作為一種新型建材，具有施工速度快、施工費用低、防水性能好、環境適應性強等優點。目前拉森鋼板樁已被應用于基坑支護[6-7]、地下管線遷改[8]、綜合管廊[9]、圍堰工程[10]、航道防沖加固等[11-15]方面，均取得了良好的效果。但有關拉森鋼板樁在軟土地區航道升級改造中用于橋梁樁基支護的研究報道較少，對拉森鋼板樁在軟土地區航道改造中的應用進行研究具有重要的實際意義。

本文結合實際工程，采用ABAQUS有限元軟件，考慮樁土接觸及參數的選擇、拉森鋼板樁的等效力學參數、原鉆孔灌注樁橋樁施工特點、原航道開挖效應等復雜影響因素，建立精細化三維數值模擬模型，分析最不利荷載組合下航道開挖對橋樁的影響規律，驗證了預設計方案的合理性。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本工程原四級航道由人工開挖而成，在航道開挖之前上方橋梁已建成，橋型為預應力混凝土系桿拱橋，主墩樁基礎采用單排兩根鉆孔灌注樁，直徑1.2 m、樁長32.4 m、系梁高度1.2 m、埋深1.6 m，立柱高5.2 m，墩頂橫梁高1.5 m，橋樁具體形式如圖1所示。

圖1 橋樁結構示意圖(高程：m，單位：cm)

由圖1可知，航道開挖過程中樁周部分土體將被挖除，由于樁周土體的卸載，將對樁體受力產生一定影響，因此現狀橋樁已處在現有航道開挖卸載作用狀態，模擬時應考慮先前四級航道開挖的影響，原航道開挖時為增加河岸穩定性，在擋墻下方采用木樁加固，其擋土墻護岸結構見圖2，航道升級開挖位置見圖3(挖至擋墻前緣)。

圖2 擋土墻護岸結構斷面圖

1.2 土層參數

根據地勘資料，天然土體分為9層，上覆1層人工填土，其中1層淤泥質土夾層成為潛在的滑動面，有限元計算地層分層表及初始參數見表1。

表1 土層計算參數表

1.3 加固方案及力學參數簡化計算方法

航道寬度設計為45 m，三級航道升級開挖深度為1.5 m。樁基前方采用拉森鋼板樁加固，目前常用的拉森鋼板樁的具體規格尺寸見表2，本工程中擬選用FPS-Ⅳ型鋼板樁，如圖4所示。

表2 不同型號拉森鋼板樁截面屬性

圖4 拉森鋼板樁示意圖

由于鋼板樁的厚度遠小于其他兩個尺寸，同時鋼板樁主要是受彎的構件，其抗彎截面模量是影響其力學響應的最重要的截面屬性，因此將鋼板樁簡化為矩形截面，采用“等效抗彎截面模量法”來確定模型中鋼板樁單元的厚度，主要步驟為設板單元厚度為x，并令板單元單位長度的抗彎截面模量等于鋼板樁的單位長度抗彎截面模量，求得的x即為板單元厚度。

2 不同荷載組合下航道開挖對橋樁的影響規律數值模擬分析

2.1 三維精細化數值模型的構建

根據實際情況，對模型沿河中軸線和橋梁中軸線進行對稱簡化，建立的模型尺寸為35.1 m×22 m×43 m，其土層及邊界如圖5-a所示，有限元單元網格采用放射形方法劃分，樁和附近的土體單元長度為10 cm，遠處角落邊界處單元長度2 m，有限元單元網格圖如圖5-b所示。

5-a 模型土層及邊界 5-b 整體3D有限元網格模型

鋼板樁加固底標高為-14.4 m，總寬度為11.0 m，距樁基縱向水平距離為4.0 m，鋼板樁加固模型示意圖如圖6所示。

圖6 鋼板樁加固示意圖

2.2 計算荷載

根據橋梁的設計資料，主要外荷載如表3所示。

表3 作用在橋梁單樁墩梁上的主要外力荷載

根據規范[16]，本文計算主要考慮樁身壓彎極限承載力計算工況，結合表3的計算荷載，該工況考慮兩種荷載基本組合：(1)荷載組合1：最大彎矩和最大軸力共同作用下樁身穩定性驗算(豎向荷載：恒載×1.2+(汽車荷載+汽車沖擊荷載) ×1.8；縱向荷載：制動力+摩阻力+支座溫度應力)；(2)荷載組合2：最大彎矩和最小軸力作用下樁身穩定性驗算(豎向荷載：恒載；縱向荷載：制動力+摩阻力+支座溫度應力)。兩種荷載組合情況下的樁基豎向荷載和水平荷載大小具體見表4。

表4 樁基礎驗算的主要最不利荷載組合

2.3 數值模型計算參數及分析步設置

(1)樁、土接觸模擬。

樁土之間采用摩擦接觸，摩擦系數采用靜力觸探試驗所得各土層的側壁阻力進行反算獲得，具體計算方法如下

(1)

式中：D為鉆孔探頭直徑；L1、L2為土層某處深度；ps為L1～L2深度范圍內的平均側壁阻力；f為探頭和土體的摩擦系數；σ1、σ2為該土層頂、底面土體的自重應力(根據土體重度和深度計算)；K為水平側壓力系數。

由式(1)可得土層平均摩擦系數f的計算公式如式(2)所示，計算所得每個土層的樁土摩擦系數匯總于表1中，接觸面上的本構模型在切向采用庫侖摩擦本構模型，法向采用硬接觸方式。

(2)

(2)主要材料有限元計算參數。

樁體混凝土模量較高，采用線彈性理論進行模擬，原護岸加固材料采用摩爾-庫倫彈塑性模型進行模擬，具體參數如表5所示。

表5 原護岸加固材料有限元計算參數表

(3)數值模擬分析步的設置。

挖孔灌注樁初始應力場的形成(樁的自重作用下樁土為光滑接觸，即形成初始應力場后樁土之間沒有側壁摩擦力)；施加橋梁的所有豎向荷載，并施工擋墻等護岸工程，然后開挖四級航道；施加所有縱向荷載(即水平荷載)；拉森鋼板樁施工；開挖三級航道。

模擬過程以實際工程施工全過程為依據，采用塑性本構反映原四級航道開挖對現有橋樁的影響，從而使模擬計算結果更接近實際情況。

3 拉森鋼板樁加固橋梁樁基的效果分析

3.1 加固前后樁基內力對比分析

(1)不同荷載組合下樁基內力變化規律。

不同荷載組合下沿樁體從上至下的軸力和彎矩圖如圖7、8所示。

圖7 荷載組合1下沿樁深度的內力和彎矩分布圖

將樁基在不同荷載組合下的內力進行匯總，每進行一個分析步，就將其內力與上一步相減得到樁基內力的增量值，不同荷載組合下樁基在不同分析步的增量如表6及表7所示。

表6 荷載組合1下拉森鋼板樁加固后開挖航道不同分析步的內力增量表

表7 荷載組合2下拉森鋼板樁加固后開挖航道不同分析步的內力增量表

結合圖表可以看出，兩種荷載組合下拉森鋼板樁的加固效果均十分明顯，橋梁樁基的內力增量最大僅為55 kN，彎矩增量最大僅為166 kN·m，拉森鋼板樁對于卸載后橋梁樁基具有顯著的支護效果，可以有效控制土體卸載導致樁身的內力增加，起到保護橋梁樁基的作用。

(2)不同荷載組合下拉森鋼板樁加固前后的樁基彎矩對比分析。

對比采用拉森鋼板樁加固后航道升級開挖和不進行拉森鋼板樁加固的航道升級開挖模擬計算結果，得到如圖9所示樁身彎矩對比曲線。

圖9 不同荷載組合下鋼板樁加固前后樁身彎矩對比圖

由圖可以明顯看出，采用拉森鋼板樁加固后航道升級開挖引起的樁基最大彎矩明顯減小，荷載組合1下加固后樁身最大彎矩為1 566 kN·m，與無加固措施的1 922 kN·m相比減小了18.52%，荷載組合2下樁身最大彎矩減小24.2%，支護效果較好。

(3)拉森鋼板樁加固后不同荷載組合下樁基拉應力分布分析。樁基在不同荷載組合下升級航道開挖后的樁基應力分布云圖如圖10所示。

由圖10可以看出，由于土體開挖卸荷，樁身側摩阻力有所損失，導致樁基在與土層接觸的部分產生最大拉應力，相應的卸載部分產生最大壓應力，兩種最不利組合下樁身最大拉應力為6.206 MPa，最大壓應力為11.74 MPa，小于樁體自身的設計承載力，說明拉森鋼板樁支護后加固效果明顯。

3.2 拉森鋼板樁加固前后橋樁頂部變形分析

拉森鋼板樁加固前后橋樁頂部在不同荷載組合不同分析步下的位移如表8及表9所示。

表8 荷載組合1下加固后樁頂在不同分析步的位移

表9 荷載組合2下加固后樁頂在不同分析步的位移

由表8及表9可知，采用拉森鋼板樁加固后，樁頂的位移增量明顯較小，兩種最不利組合下升級三級航道引起的樁頂位移增量均為7.6 mm，與無加固升級三級航道引起的25.6 mm和29.2 mm相比分別減小了70%、74%，加固效果良好，但總體看單樁橋樁的抗擾動能力弱，而且河床軟土夾層的存在加大了開挖河岸滑坡的位移量，加大了橋樁的變形，該橋型即使采用了加固方案，模擬結果中顯示橋梁樁基內仍有較大拉應力，安全性較差，建議施工時應加強監測，進行實時動態監測安全控制。

4 結論

航道開挖時對臨近橋樁將產生影響，由于橋梁樁基的允許位移和樁基內力控制要求高，特別對于單排樁基結構，自身抗擾動能力差，因此通常需要進行橋樁加固處理。受施工條件限制，拉森鋼板樁工藝簡單、施工靈活方便，成為很好的加固橋樁的方法。采用三維數值模擬技術，可以考慮原橋樁的施工歷史過程、樁土接觸特性、復雜地層和周邊環境影響等復雜因素，預先對加固效果進行對比分析可以有效預測加固效果，為加固方案的優化提供參考。本文結合實際工程，進行拉森鋼板樁加固前后對比分析，驗證了設計方案的可行性。主要研究結論如下：

(1)拉森鋼板樁加固后航道升級開挖引起的橋梁樁基內力增量最大僅為55 kN，彎矩增量最大僅為166 kN·m，與無加固措施情況下開挖模擬結果相比，樁身彎矩在荷載組合1、2下分別減小18.52%和24.2%，樁頂位移增量分別減小了70%和74%。拉森鋼板樁可以有效控制橋樁樁身的內力和樁頂位移，加固效果明顯。

(2)拉森鋼板樁加固后開挖航道，兩種最不利組合下，樁基由于土體卸載產生的最大拉應力為6.206 MPa，最大壓應力為11.74 MPa，小于樁體自身的設計承載力，拉森鋼板樁支護作用明顯，但整體安全度不高，該種單樁橋型抗擾動能力差，由于軟弱夾層的存在加大了開挖擾動影響，因此建議施工過程應加強監控量測，確保工程的實際安全性，設計時應盡量少采用單樁基礎。