施工便道對深厚軟黏土地區橋梁樁基影響研究

許楊林

(中鐵十一局集團有限公司 湖北武漢 430061)

1 引言

高速公路橋梁在跨越濱海灘涂時，往往需先修建施工便道再施工樁基等下部結構[1－2]。在施工便道、車輛荷載等作用下，樁基附近土體平衡條件被打破，將產生固結沉降，導致樁基出現負摩阻力，使其發生下沉。同時，便道等荷載產生的附加水平應力會造成樁基變形、移動，導致樁基破壞[3－4]。因此，開展施工便道對樁基影響的研究具有重要現實意義[5－7]。

本文以某在建工程為研究背景，采用 Midas GTS-NX、現場試驗和理論方法研究了施工便道對樁基負摩阻力和水平變形的影響，驗證了數值模擬方法的可靠性，對比三種方法的差異，探討了便道荷載、便道位置對樁基負摩阻力和水平位移的影響規律，研究結果可為相關工程提供參考[8－10]。

2 工程背景

某沿海地區高速公路橋梁位于四面環水的淺海沉積區域，水深0.5～2 m，淤泥層和淤泥質層平均厚度約為40 m，樁基直徑分為1.6 m和1.8 m兩種，樁長為80 m，采用鉆孔灌注工藝施工。為進行樁基施工，在線路一側設計施工便道和圍堰。施工便道采用吹填方式施工，施工前先填筑橋梁樁基兩側的施工圍堰，然后在圍堰與樁基之間采用吹砂填筑，當吹砂達到要求后在其上修建便道。便道和樁基位置關系如圖1所示[11－12]。

圖1 便道尺寸及位置(單位:cm)

橋址地下水位標高約為－0.5 m，便道路面標高為2.0 m，便道填土厚度和頂部寬度分別為2和8 m，路肩放坡1∶1，便道頂部邊緣距離樁基中心距離為4.65 m。從原地面向下，淤泥厚度為30.7 m，淤泥質黏土厚度為10.8 m，粉砂厚度為21.0 m，粉質黏土厚度為5 m，全風化砂巖厚度為7.5 m，中風化砂巖厚度為7.1 m，地層情況和土體物理特性如表1所示。

表1 土體物理特性

3 施工便道對樁基負摩阻力和水平位移的影響

3.1 現場試驗

為評估施工便道對樁基的影響，本文依據便道設計方案開展現場試驗。試驗基樁為20＃～22＃橋墩右幅樁基(編號為sz20～sz22)，采用GPS—250正循環回旋鉆鉆孔工藝施工。3根基樁(sz20～sz22)直徑均為1.6 m，樁基長度為80 m，間距為20 m。采用鋼筋計監控樁基負摩阻力，從樁頂到樁底間隔2.0 m布置監測截面，各截面對稱布置兩根鋼筋計。為測量樁基水平位移，在樁基中心布置測斜管，埋設長度為80 m。考慮到施工完成初期沉降速度較快，為準確反映便道荷載對樁基的影響，本文選取樁基施工完成30 d且土體變形達到穩定狀態后的數據分析樁基負摩阻力和水平位移。

3.2 理論計算方法

(1)樁基豎向承載力及負摩阻力計算

在施工便道荷載和車輛荷載作用下，樁周土體將產生一定沉降，使樁身承受向下的負摩阻力。本文采用?建筑樁基技術規范?(JGJ 94—2008)推薦的有效應力方法計算樁基摩阻力:

當地面分布大面積荷載時，采用下列公式計算有效應力:

式中:σ′γi為由土體自重引起的樁周第i層土平均豎向有效應力；γe和γi分別為第i計算土層和其上第e土層的重度；Δze和Δzi為第i層土和第e層土的厚度；p為地面均布荷載。

根據?建筑樁基技術規范?(JGJ 94—2008)規定，樁周軟弱土層下限深度為40.15 m。考慮橋址位置地質情況，樁側負摩阻力系數取為0.15。根據式(1)～式(3)可計算得到各土層摩阻力系數和標準值，結果如表2所示。依據表2可計算得到1.8 m和1.6 m樁基承載力為14 456 kN和11 596 kN，負摩阻力為3 455 kN和3 073 kN。

表2 摩阻力系數和標準值

(2)樁基水平位移計算

在施工便道等荷載作用下，樁基將產生水平變形，因此需驗算其水平位移。便道堆載引起的樁基水平應力:

式中:σx為樁基水平方向的正應力；ksx為均布條形荷載下的水平附加應力系數；P0為作用于地表的荷載。

依據?公路橋涵設計通用規范?(JTG D 60—2015)可計算出換算土層厚度和地表荷載，附加應力系數公式:

式中:z為計算點到地表的深度；x為樁到均布荷載中心的距離；b為均布荷載的寬度。

依據各土層附加應力計算值，可求出1.8 m和1.6 m樁基的水平力分別為432.13 kN和384.11 kN。根據?公路橋涵地基與基礎設計規范?，采用單排樁柱式橋墩計算用表，樁底嵌固在基巖中時的樁頂水平位移為:

根據式(6)，便道荷載作用下，1.8 m和1.6 m樁基的樁頂位移分別為13.9 mm和14.7 mm。依據?公路橋涵施工技術規范?和?公路橋涵地基與基礎設計規范?，樁基水平位移限值為15 mm。

3.3 數值模型

本文采用Midas GTS-NX對樁基進行建模分析，計算域范圍為:橋梁長度方向20 m，橋梁橫向74 m，深度為108 m；圍堰參照實際結構簡化為梯形荷載。模型土體分為6層，其本構關系選用Mohr-Coulomb模型，參照?公路橋涵施工技術規范?，車輛荷載換算后取13.75 kPa，樁基采用單樁形式，長度為80 m，C30混凝土彈性模量 30 GPa，泊松比0.2，密度2 500 kg/m3，樁基－土體模型如圖2所示。

圖2 樁基－土體模型

3.4 計算結果分析與對比

現場試驗和數值模擬的1.6 m直徑樁基負摩阻力及水平位移曲線如圖3所示。可以看出，現場試驗和數值模擬結果吻合較好，驗證了數值模擬方法的可靠性；樁基摩阻力在距離樁底約45～70 m范圍內為負值，表明在便道荷載作用下土體發生沉降，對樁基產生了負摩阻力。在該范圍內，負摩阻力表現為先增大后減小的趨勢，隨著距樁底距離減小，摩阻力逐漸轉變為正值，在樁底位置產生最大正摩阻力。同時可以觀察到，隨著樁基高度增大，其水平位移逐漸增大，在樁頂位置達到最大值。

圖3 便道荷載對樁基的影響(樁基直徑1.6 m)

三種方法得出的樁基負摩阻力和最大水平位移如表3所示。從表3可以看到，三種方法所得結果均滿足要求，樁基負摩阻力約為樁基承載力的25%，樁基水平位移均小于15 mm，說明工程便道布置方案可行；數值模擬結果和現場試驗結果基本一致，而理論方法計算的負摩阻力和樁頂水平位移相對偏大，其主要原因為理論方法是采用m法計算，對樁基和土體進行了簡化，無法考慮三維樁土效應等實際情況，因此結果偏保守；而Midas GTS-NX是基于Mohr-Coulomb本構模型，與樁基實際受力狀態更加接近，其結果也更為準確。在分析便道、堆載等荷載對樁基影響時，考慮到計算的便捷性，可先采用理論方法進行初步計算。

表3 樁基負摩阻力和水平位移計算結果

4 數值模擬影響參數分析

本文以1.6 m直徑樁基為基礎，采用數值模擬方法研究了便道荷載、便道位置對樁基摩阻力和水平變形的影響。

(1)便道荷載大小影響

便道荷載及樁基變形和受力有較大關系，施工便道的設計尺寸、施工荷載等均會改變便道荷載的大小，為簡化研究，本文選取20、40、60、80 kPa 四種荷載工況研究便道荷載對樁基負摩阻力和水平變形的影響。便道中心位置距離樁基中心6.0 m，土層物理特性等參數與前述案例一致，計算結果如圖4所示。

圖4 便道不同荷載工況對樁基的影響

由圖4a可知，隨著便道荷載增大，樁基摩阻力中性點位置逐漸下移，從距離樁底45 m位置移至60 m位置，最大負摩阻力也隨之增大，而最大負摩阻力位置均出現在距離樁底55 m位置。表明便道荷載增大會導致樁基負摩阻力增大，使摩阻力中性點位置向下移動。由圖4b可知，各工況均在樁頂位置產生最大水平位移，隨便道荷載的增大，樁基水平位移從4.9 mm增大至36.8 mm；當便道荷載為20～60 kPa時，樁底水平位移始終為0，而當便道荷載增大至80 kPa時，樁體產生了明顯的整體水平移動現象。

(2)便道位置影響

為研究便道位置對樁基負摩阻力和水平變形的影響，選取便道距離樁基中心2.0、3.0、4.0和6.0 m四種工況，便道位置荷載取40 kPa，其余參數與前文案例一致，樁基摩阻力和水平變形計算結果如圖5所示。

圖5 便道位置對樁基的影響

從圖5a可以看出，當便道位置從2.0 m變為6.0 m時，樁基最大負摩阻力從－18.5 kPa降低至－8.3 kPa，最大負摩阻力位置也逐漸向下移動，距離增大顯著減小了樁基的負摩阻力；同時，隨著間距增大，摩阻力中性點出現輕微降低，其位置從距離樁底47 m變為距離樁底38 m。上述結果表明，增大便道和樁基的距離可以有效降低樁基負摩阻力，而便道位置對樁基摩阻力中性點的影響較小。從圖5b可以看出，當便道距離樁基較遠時，最大水平位移出現在樁頂位置，隨著便道位置逐漸接近樁基，樁基水平位移曲線發生改變，水平位移逐漸增大，最大水平位移出現在距離樁頂約20 m位置。同時可以看到，各工況下，樁底位移始終為0，樁基沒有發生整體水平移動的現象。

5 結論

(1)在便道荷載作用下土體發生沉降，樁基產生負摩阻力和水平位移，隨著距樁底距離的減小，負摩阻力表現為先增大后減小的趨勢，然后逐漸轉變為正值，水平位移最大值出現在樁頂。

(2)理論方法基于m法計算，對樁基和土體進行了簡化，無法考慮三維樁土效應實際情況，結果偏保守；而基于Midas GTS-NX數值模擬的計算結果更接近真實情況。

(3)便道荷載對樁基摩阻力中性點位置和最大負摩阻力有較大影響，而最大負摩阻力位置基本不受便道荷載影響。隨著便道荷載的增大，樁基摩阻力中性點位置逐漸下移，樁基負摩阻力和水平位移明顯增大，直至出現整體水平移動。

(4)便道位置對最大負摩阻力和其出現位置影響較大，而對摩阻力中性點影響較小。隨著便道和樁基距離增大，最大負摩阻力減小，最大負摩阻力位置也隨之向下移動，樁基的負摩阻力和最大水平位移顯著降低。當便道位置逐漸接近樁基，最大水平位移位置從樁頂轉變為距樁頂約20 m位置。