深厚軟土地區(qū)臺后填土對橋臺樁基的影響分析

作者簡介：

林愛軍（1984—），高級工程師，主要從事水利水電工程、市政工程項目管理工作。

摘要：文章基于臺州市東部新區(qū)某橋梁工程實例，建立橋臺-樁基-填土三維有限元計算模型，分析了深厚軟土地區(qū)臺后填土對橋臺樁基的影響。結(jié)果表明：臺后填土在較大范圍的樁長內(nèi)產(chǎn)生了負摩阻，橋臺邊緣樁的附加彎矩顯著大于橋臺中部樁的附加彎矩;橋臺由于填土產(chǎn)生的不均勻沉降向填土側(cè)發(fā)生傾斜，填土擠壓造成單樁部分樁體向橋梁側(cè)發(fā)生位移。

關(guān)鍵詞：深厚軟土;橋臺;負摩阻;有限元;樁基沉降

中國分類號：U445.55+1A441624

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，公路建設如火如荼。在濱海地區(qū)的公路建設中，淤泥或淤泥質(zhì)軟土是常見的軟弱土層，該類土層會對路橋的施工建設產(chǎn)生不利的影響。在路基與橋梁的連接處，軟弱土層產(chǎn)生的不利影響主要表現(xiàn)為：橋臺樁周土體的沉降值由于路基堆載作用大于橋臺樁基的沉降值并在樁體上產(chǎn)生負摩阻力，造成橋臺樁基的不均勻沉降;路基堆載對橋臺樁基產(chǎn)生側(cè)向力，使樁身產(chǎn)生撓曲變形威脅橋梁的使用安全[1]。因此，正確分析臺后填土對橋臺樁基的影響對于保證橋梁的安全使用至關(guān)重要。針對此類問題，已經(jīng)有一些學者進行了相關(guān)研究，包括理論分析、現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬[2-7]。但是由于場地類型的和施工狀況的差異，相關(guān)研究的成果依然不夠全面，難以進行推廣。

針對臺后填土對橋梁樁基影響的相關(guān)問題，結(jié)合工程具體的場地條件和施工條件進行分析是一種相對有效的方法。數(shù)值模擬相對理論分析可以更加周全地考慮施工現(xiàn)場的條件，同時相較于現(xiàn)場試驗可以節(jié)約大量的資源與時間，優(yōu)勢更明顯。本文基于臺州市東部新區(qū)橋梁工程實例，使用Midas-GTS-NX巖土有限元分析軟件，建立全尺寸橋臺-樁基-填土相互作用有限元數(shù)值模型，探究深厚軟土地基條件下臺后填土對于橋臺樁基的影響。

1 數(shù)值模型

1.1 工程與模型概況

本項目橋梁跨徑為16 m，橋臺樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，共由13根樁構(gòu)成，每根樁徑為1 m，樁長L=68.5 m，樁身材料采用C35混凝土，樁底位于粉質(zhì)黏土層中。橋臺采用C40混凝土澆筑。具體橋臺尺寸與樁基布置如圖1所示。

橋臺-樁基-填土相互作用有限元數(shù)值模型如圖2所示。模型整體長64.4 m，寬92.1 m。模型地層部分共80 m厚，根據(jù)地質(zhì)勘察報告合并性質(zhì)類似的土層之后，模型的地層部分共被劃分成5層，網(wǎng)格控制尺寸為2 m，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。地層部分相關(guān)參數(shù)如表1所示。經(jīng)過適當簡化，橋臺及臺后土體模型細節(jié)部分如圖3所示。根據(jù)實際施工情況，橋臺后填土主要由碎石、氣泡混凝土與素填土組成。為了保證臺后土體的穩(wěn)定，施工時在臺后土體下方打入12.5 m長的高壓旋噴樁進行地基處理。旋噴樁直徑為0.6 m，樁中心間距為1.2 m，采用梅花型布置。橋臺及臺后填土部分相關(guān)參數(shù)如表2所示：

1.2 橋臺樁基模擬及模型驗證

橋臺下樁基礎(chǔ)較長，在本模型中采用1D梁單元對樁身進行模擬，樁身選取彈性本構(gòu)。每個樁單元尺寸限制在1 m以內(nèi)。樁單元與土體周邊的摩擦行為通過定義接觸單元進行模擬。樁周與土體的接觸在軟件中由“樁單元”進行定義。該單元中主要由三個參數(shù)模擬接觸，分別為最終剪力、剪切剛度模量與法向剛度模量。最終剪力的取值為樁周各土層的側(cè)摩阻力乘以樁周長。剪切剛度模量與法向剛度模量參數(shù)難以獲取，而參考文獻[8-9]中對于樁基的計算經(jīng)驗并經(jīng)過反復試算，確定剪切剛度模量與法向剛度模量分別取為樁周土體彈性模量的10倍和100倍。樁底與土體的接觸關(guān)系由“樁端”定義，其中包含樁端承載力和樁端彈簧剛度兩個參數(shù)。參考該工程地質(zhì)勘察報告并結(jié)合試算，確定樁端承載力取值為1 374 kN，樁端彈簧剛度取值為120 000 kN/m。

土體及接觸參數(shù)確定后，首先進行單樁加載計算并與現(xiàn)場試驗結(jié)果進行對比，以驗證接觸參數(shù)取值的合理性。單樁加載計算試驗與單樁現(xiàn)場試驗荷載-沉降曲線如圖4所示?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，單樁極限承載力約為5 970 kN。在模擬加載試驗中，荷載分10級逐步添加，每級600 kN。由荷載-加載曲線可知，樁頂荷載超過5 400 kN后位移出現(xiàn)明顯增長。整個加載過程中，有限元計算結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果較為接近，說明計算參數(shù)基與實際情況基本吻合。

1.3 分析步驟

本模型計算步驟如下：

（1）計算地層自重條件下產(chǎn)生的初始應力，并清零位移。

（2）激活橋臺、橋臺下樁基礎(chǔ)與旋噴樁，模擬橋臺施工。

（3）激活臺后填土，填土荷載簡化為分10級逐步釋放，模擬臺后填土過程。

2 計算結(jié)果分析

2.1 樁身側(cè)摩阻分析

提取橋臺中部樁A、B與橋臺邊緣樁C、D，對應橋臺施工完成后、臺后填土完成50%和全部完成三種狀態(tài)下的樁基側(cè)摩阻進行分析。三種狀態(tài)下各樁側(cè)摩阻力分布如圖5所示。

由圖5可知，由于臺后填土造成橋臺周圍土體的沉降，四根處于不同位置的樁基在臺后填土完成后均在較大范圍的樁長內(nèi)產(chǎn)生了側(cè)摩阻力。其中位于填土側(cè)的A、C樁側(cè)摩阻力大約在0.45 L處由負轉(zhuǎn)正，而位于橋梁側(cè)B、D樁的側(cè)摩阻力大約在0.62 L處由負轉(zhuǎn)正。樁身產(chǎn)生負摩阻力的主要原因是樁周土體沉降大于樁身沉降，當側(cè)摩阻由負轉(zhuǎn)正時，該位置的樁體豎向位移與土體豎向位移達到一致，即到達“中性點”。通過計算可知、四根不同位置的樁的中性點深度均跨越了淤泥質(zhì)黏土層，到達了黏土層內(nèi)?？拷鼧蛄旱那芭艠队捎跇度旱闹巫饔?，與周邊土體的相對位移差更大，因此中性點的位置更深。

2.2 樁身內(nèi)力分析

填土引起的樁身內(nèi)力變化是探究橋臺后填土多于橋臺樁基影響的重要內(nèi)容。同樣選取位于橋臺中部的樁A、B與位于橋臺邊緣的樁C、D進行分析。樁身彎矩隨填土完成度變化如圖6所示。由圖6可知，隨著臺后填土的逐步完成，四根樁的內(nèi)力均呈現(xiàn)增大的趨勢，最大彎矩均出現(xiàn)在填土100%完成時，位于橋臺中部的樁的附加彎矩要明顯小于位于橋臺邊緣的樁。樁A、B由于填土產(chǎn)生的最大彎矩分別位于樁身0.18 L和0.44 L處，樁C、D最大彎矩位于0.39 L和0.31 L處，兩種位置臺后填土對于樁基產(chǎn)生最大附加彎矩位于全樁長的中上部。

2.3 橋臺及位移分析

臺后填土引起下臥軟土層的變形會導致橋臺與樁基發(fā)生位移，其中橋臺或樁基產(chǎn)生過大的位移會對橋梁的安全使用造成影響。如圖7～8所示分別展示了填土后橋臺位移與樁頂沉降的情況。由圖7可知，由于臺后填土的作用，橋臺整體發(fā)生了一定程度的沉降，其中靠近填土一側(cè)的沉降要大于靠近橋梁一側(cè)的沉降，橋臺發(fā)生了朝向填土側(cè)的傾斜，整體傾斜幅度約為0.6%。圖8中顯示填土側(cè)樁與橋梁側(cè)樁隨著臺后填土的進行沉降呈現(xiàn)線性變化，靠近橋梁側(cè)的樁沉降量明顯小于靠近填土側(cè)的樁，橋臺的基礎(chǔ)部分即出現(xiàn)了偏向填土一側(cè)的傾斜，而橋臺下方中間位置與邊緣位置樁的沉降基本一致，說明橋臺在長度方向上的位移基本保持一致，不均勻沉降發(fā)生于橋臺的橋梁側(cè)與填土側(cè)。

如圖9所示中展示了ABCD四根樁的樁頂?shù)乃轿灰魄闆r。樁頂位移隨著臺后填土荷載的釋放逐步增加，方向為朝向橋梁側(cè)。填土完成時四根處于不同位置的樁水平位移基本保持一致，大約為15.4 mm，移動幅度約為橋臺寬度的0.27%。

臺后填土使軟弱下臥土層產(chǎn)生變形，軟土的變形同樣會對樁身產(chǎn)生擠壓，使樁身發(fā)生位移。如圖10所示展示了ABCD四根樁在填土完成后的側(cè)向位移情況。由于填土的擠壓作用，四根樁的位移趨勢基本一致，其中在樁頂?shù)酱蠹s0.74 L處樁體呈現(xiàn)出向橋梁側(cè)的位移，0.74 L到樁底處樁身的位移朝向填土側(cè)，整個樁體的最大位移發(fā)生在0.3 L處?？拷钔羵?cè)的A樁與C樁的側(cè)向位移要略大于與之對應的靠近橋梁側(cè)的B樁與D樁。在相同側(cè)，位于橋臺中部的A樁和B樁的位移要略小于位于橋臺邊緣的C樁和D樁。

3 結(jié)語

本文結(jié)合深厚軟土地區(qū)橋梁工程實例，建立了橋臺-樁基-填土有限元計算模型。首先進行單樁加載計算并與現(xiàn)場實驗結(jié)果進行對比，驗證模型參數(shù)情況，隨后使用數(shù)值模擬方法探究了臺后填土對橋臺樁基的影響。計算結(jié)果表明，由于臺后填土的作用，橋臺下樁基在較大樁長的范圍內(nèi)產(chǎn)生了負摩阻。隨著填土的進行，樁身內(nèi)產(chǎn)生的附加彎矩逐漸增長，樁身彎矩的最大值出現(xiàn)在整個樁體的中上部，橋臺邊緣樁的彎矩顯著大于中間樁的彎矩。臺后填土引起的不均勻沉降會導致橋臺向填土側(cè)發(fā)生傾斜，同時樁頂位移表明橋臺的下部向橋梁側(cè)發(fā)生水平位移。橋臺樁體受到周圍軟土擠壓作用發(fā)生位移，最大水平位移位于大約位于0.3倍樁長處，方向朝向橋梁側(cè)。以上結(jié)論可以為此類地區(qū)相關(guān)橋臺的設計施工提供一定的指導。

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