深厚軟土地基堆載預壓對鄰近橋梁樁基影響分析

侯蘭新

(中鐵建大橋工程局集團南方工程有限公司 廣東廣州 511455)

1 引言

在深厚軟土地基進行橋梁施工時，因不良地質情況引發的工程問題屢見不鮮[1-2]。因此，研究深厚軟土地區堆載預壓對鄰近橋梁樁基的影響及應對處理措施具有重要意義。

在深厚軟土段樁基附近進行不均勻堆載時，其受力行為較為復雜[3]。在多種應力耦合作用下，樁基內部會產生較大應力和變形，對樁基的正常使用造成較大安全隱患[4-5]。對此，國內外學者[6-7]主要采用數值模擬、理論計算和現場監測方法進行了大量研究。聶如松等[8]研究結果表明，ADINA可以較好地模擬堆載預壓對鄰近橋樁的影響；馮忠居等[9]通過Marc有限元軟件分析長短樁軟基處理對堆載鄰近樁基的影響，并根據模擬結果提出相應的工程施工建議；宋修廣[10]等基于Flamant解建立了堆載土對樁體的水平附加應力計算公式；竺明星[11]等通過深厚軟土地區堆載作用下鄰近單排、多排基樁的水平附加應力進行理論計算和推導，得到了被動樁的傳遞矩陣解，并驗證了結果的正確性和可靠性；劉志明[12]利用堆載法對橋墩進行糾偏，監測結果表明，堆載預壓法可以減少樁身偏移，是一種科學有效的糾偏手段。

文中以廣州市南沙開發區明珠灣大橋工程為例，采用數值模擬、理論計算和現場監測三者相結合的方法研究堆載預壓對鄰近樁基的影響，并根據實際工程情況提出施工注意事項和施工措施，經工程實踐驗證，該方法可較好地指導工程安全施工。

2 工程概況

明珠灣大橋位于廣州市南沙開發區，地處珠江口，全長約9.1 km，雙向八車道，規劃寬度60 m。跨越龍穴南水道，水域寬度1 300 m。根據區域地質資料，勘察區內覆蓋土層主要以海陸交互相及河流相沖積層為主，巖性主要為淤泥質土、黏土、粉質黏土、砂土等。其中引橋段樁基上層土主要為淤泥質土，層厚在15～23 m之間。

為方便施工，需要沿樁基外圍修筑施工輔道，輔道寬度10 m，坡度為1∶1.5，輔道填筑于軟基之上。為了保證輔道安全，需對輔道路基范圍內軟基進行堆載預壓。堆載土相對明暗樁交界處的高差在0～4.5 m之間，堆載土與橋梁樁基距離較近。為了研究修筑輔道對鄰近樁基的不利影響，文章選取距離堆載土最近的4＃墩樁基進行分析。4＃墩樁基距離堆載土約為0.9 m，堆載差異量約為3.6 m，見圖1。

圖1 4＃墩樁基原始堆載差異量施工示意(單位:m)

3 理論分析計算

3.1 樁基基本參數

首先對3.6 m差異量堆載條件下的4＃墩樁基進行計算。4＃墩下部為2根直徑1.8 m、樁長58 m的樁基。根據設計圖紙及相關勘察報告確定樁基基本參數見表1，土層相關參數見表2。

表1 4＃墩樁基基本參數

表24 ＃墩樁基各土層基本力學參數

3.2 樁基最大水平位移及裂縫

(1)附加應力計算

根據土力學原理，可以把圖1堆載土看成兩側為三角形和中間為矩形分布垂直荷載作用進行附加應力計算。坐標原點為圖1左側預壓土的坡腳處。荷載強度最大值為pt，z為土層厚度，深度方向每5 m取一個計算點。按照式(1)計算兩側三角區域荷載的附加應力:

式中:σz為附加應力；m為荷載面長邊和短邊寬度之比；n為土層厚度和荷載面短邊寬度之比。

在均布線性荷載作用下，土中任一點的附加應力由弗拉曼公式推得，即:

式中:p為豎向線荷載。

對于均布條形荷載，土中任一點的附加應力可由式(3)積分得到:

式中:x為任一點距均布條形荷載中點處的距離。

(2)沉降量計算

每層土沉降量可利用式(4)計算:

式中:ε為應變；h為土層厚度；σzi為第i層土的附加應力；Esi為第i層土壓縮模量。

利用表2中土層基本參數，計算樁基每5 m位置的附加應力，再根據附加應力聯立式(4)和式(5)得出樁頂處周邊土體的沉降量S＝5.5 mm。

(3)水平位移計算

根據土力學水平附加應力計算方法可得出樁基各點水平方向應力，并對不同點水平附加應力進行公式擬合，得到擬合后公式:

式中:q(x)為距樁身地表處任一處的水平附加應力，kPa；x為距離地表的距離。

進行樁基水平位移計算時，將樁基簡化為懸臂梁進行計算。為了保證計算結果偏于安全，假定懸臂梁固定端為軟土層與硬土層交界處，即地表以下22.3 m處。根據結構力學中分布荷載q(x)與剪應力、彎矩、轉角和撓度(樁基礎水平位移)的關系，可以由分布荷載方程得到:

式中:V為剪力；M為彎矩；θ為轉角；f為撓度(樁身水平位移)。

由式(6)～式(10)得出樁基最大水平位移為31.3 mm，超過規范值規定的10 mm。

(4)樁身最大裂縫計算

考慮到樁身在附加應力的作用下，沿樁身會產生彎矩，最大彎矩處即最大裂縫處。具體計算方法可按式(11)和式(12)計算鋼筋混凝土構件的最大裂縫寬度:

各參數的具體含義可參照《混凝土結構基本原理》，本文不再贅述。

由式(11)和式(12)得ωmax＝0.18 mm，最大裂縫未超過規范值0.2 mm。

4 有限元模擬分析

4.1 建立模型

首先要確定有限元模型尺寸。一般情況下，為減小邊界效應對模型的影響，高度一般不小于1.5～2倍樁長，長度和寬度不小于10倍樁徑。由表1可知4＃墩樁基的樁長和樁徑，并考慮堆載土寬度，最終確定該模型高度取100 m，長度取75 m，寬度取50 m。

樁基和承臺混凝土采用彈性模型，圍巖和堆載土采用ABAQUS中的M-C(Mohr-Coulomb)模型，該模型適用于巖石和土壤等顆粒狀材料。網格劃分方法為sweep，為保證網格劃分的均勻性，采用中性軸法。樁基、承臺和土體的單元類型為減縮積分實體單元C3D8R。土體和樁基模型網格劃分如圖2所示。

圖2 土體與樁基模型網格劃分

4.2 土體和樁基材料參數

根據工程鉆孔柱狀圖確定土質及層厚。各層巖土相關參數見表1和表2。

4.3 模型荷載、邊界條件及接觸

通過給土體、樁基、承臺和堆載土添加重力來模擬其自重效應，同時根據設計圖紙計算承臺上部結構的自重。在承臺上施加一均布荷載P，經計算P＝648 kPa。為保守計算，承臺均布荷載模擬值P取700 kPa。用ABAQUS中的生死單元功能來控制堆載土重力的生效時機。樁基與土體之間采用面-面接觸，法向為“Hard”Contact，切向為“Friction”Coefficient，將樁基作為主面、土體作為從面。對模型左右和前后面施加x、y方向約束，對底面施加x、y、z三個方向約束。

4.4 計算結果驗證

進行模型計算，得到初始地應力如圖3所示。根據土層重度和土層厚度進行計算，驗證初始地應力平衡狀態下模型的正確性。土體具體參數見表2，計算公式:

通過計算得到土體底面重力為1.996×106N，與圖3中初始地應力平衡狀態下的底面重力一致。

圖3 初始地應力平衡

4.5 計算結果及分析

通過“Creat XY Date”中的“ODB Field Output”命令選取樁頂的“Unique Nodal”，用Edit XY Date提取數據，得到樁頂最大水平位移為27.2 mm，順橋向樁基最大位移為0.2 mm，樁基豎向位移為4.3 mm。由理論計算數據和模擬數據可知，樁基沿順橋方向的偏移和沉降量均符合規范要求，但樁頂水平偏移較大，超過了《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)中的最大允許水平偏移值10 mm。

樁基每5 m劃分一個截面，將提取的彎矩值與計算值對比并繪制出圖形，如圖4所示。

圖4 4＃墩樁基計算彎矩與模擬彎矩對比

由圖4可知，模擬值和計算值最大差值在最大彎矩值處，二者相差約14.1%，進一步驗證了數值模擬的正確性。

5 施工建議及監測數據對比分析

5.1 施工建議

通過理論計算和數值模擬結果可知，當按照原始差異量進行堆載，樁頂的水平位移將會超出規范值。另外，雖然樁身最大裂縫寬度滿足規范，但也比較接近限值。經綜合考慮，對原始堆載差異量進行優化，采用理論計算和數值模擬對不同堆載差異量工況進行計算，分析得出樁基優化堆載差異量方法:對樁基范圍內全斷面先進行預壓2.7 m(見圖5)，再按照設計輔道范圍堆載預壓，其預壓差異量由原來的3.6 m變為0.9 m，可以有效減少樁基的水平位移。施工方案調整后對4＃墩樁基進行理論計算和數值模擬，結果表明:理論計算和數值模擬樁基的最大水平位移分別為4.6 mm和4.2 mm，樁身最大裂縫寬度為0.02 mm。樁基的最大水平位移和樁身最大裂縫寬度均符合規范要求。同時，對堆載預壓施工提出以下建議:

圖5 4＃墩樁基優化堆載差異量后施工示意(單位:m)

(1)對于樁基上層土質較軟且含水量大的局部區域，需在軟基處理后再進行堆載預壓。

(2)堆載土時，需同時在樁基兩側對稱堆載，且每層填土厚度不宜大于30 cm。壓實后，對堆載土的壓實度進行檢測，并保證樁基兩側土體壓實度一致。

(3)當臨時輔道設計預壓填土標高大于樁基附近設計預壓填土標高時，應當從靠近樁基一側均勻向外填土。

(4)計算和模擬結果的可靠性取決于地質勘察報告和實際工程地質的吻合度，地質勘察報告和實際工程地質情況的差異將會導致理論分析和數值模擬結果與實際結果產生偏差。因此在施工過程中必須加強監測，每施工一道工序，應立即進行監控量測并與施工前相比較，如發生較大偏移應立即停止施工，可采用堆載反壓、開挖卸載、水平頂推和應力釋放孔聯合糾偏等措施。

5.2 監測數據對比分析

采用優化堆載差異量的方案進行堆載預壓施工，施工現場見圖6。同時，對4＃墩樁基進行了為期120 d的監測，監測數據、理論計算值和數值模擬數據對比見表3。

圖6 堆載預壓現場施工

表3 4＃墩樁基理論計算、數值模擬和工程監測值

由4＃墩樁基監測數據可知，其各項指標均滿足規范要求；理論計算值、數值模擬與工程監測值吻合良好，證明了該研究方法的正確性和可行性。

6 結論

文章以明珠灣大橋為工程背景，結合有限元軟件ABAQUS建立了與實際工程吻合較好的有限元模型，將理論計算、數值模擬和監測數據進行對比分析，得出以下結論:

(1)有限元軟件ABAQUS可以較好地模擬軟土地基堆載對鄰近橋梁樁基偏移和樁身最大裂縫的計算。

(2)在深厚軟土地區進行不均勻堆載時，雖然樁身最大裂縫滿足規范要求，但更容易產生較大水平位移。

(3)從安全和經濟角度出發，在軟土地基進行堆載預壓時，應盡量按照本文建議進行均勻堆載，以減少樁基的水平位移。