鋼棧橋超長(zhǎng)樁基沉樁力學(xué)機(jī)理研究

摘要：為研究鋼棧橋超長(zhǎng)樁基沉樁力學(xué)機(jī)理，文章基于有限元方法，利用ABAQUS軟件建立樁-土模型，提出超長(zhǎng)樁基沉樁的三種方法，并針對(duì)不同樁徑下樁體受力最大Mises應(yīng)力以及豎向應(yīng)力進(jìn)行分析，提出不同情況下鋼棧橋超長(zhǎng)樁基樁身的力學(xué)規(guī)律。主要得到以下結(jié)論：（1）鋼棧橋超長(zhǎng)樁基沉樁可采用“釣魚(yú)法”、浮吊法以及打樁船沉樁法；（2）隨著沉樁深度的不斷增加，Mises最大應(yīng)力也在不斷增大，對(duì)于超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)而言，隨著沉樁深度的增加，其傳遞荷載的效率不斷降低，因此在實(shí)際沉樁過(guò)程中要對(duì)其進(jìn)行定量計(jì)算；（3）當(dāng)沉樁深度恒定時(shí)，隨著樁徑的增大，其應(yīng)力值不斷減小，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)；（4）當(dāng)樁入土深度恒定時(shí)，隨著樁徑的增大，其豎向應(yīng)力值不斷減小，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：鋼棧橋；超長(zhǎng)樁基；有限元；樁-土模型

中圖分類號(hào)：U445.55+1 A 27 097 3

0 引言

橋梁工程具有造價(jià)高、工程規(guī)模大、面臨地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)［1-2］。橋梁工程建設(shè)過(guò)程通常需采用施工速度快、造價(jià)低的棧橋作為其施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)，但是目前對(duì)棧橋的研究還不夠充分，而鋼棧橋超長(zhǎng)樁基又是橋梁工程中不可缺少的部分，因此研究鋼棧橋超長(zhǎng)樁基沉樁力學(xué)機(jī)理迫在眉睫。

國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)超長(zhǎng)樁基力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了大量研究。Mabsout等［3］采用有限元法對(duì)打樁問(wèn)題進(jìn)行研究，采用修正的拉格朗日法對(duì)土體大變形以及樁-土作用進(jìn)行定量計(jì)算。孫強(qiáng)［4-5］對(duì)樁動(dòng)力荷載下的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制開(kāi)展相應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)樁側(cè)負(fù)摩阻力、樁尺寸、樁-土作用等參數(shù)會(huì)對(duì)基樁動(dòng)力穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，并提出相關(guān)方案進(jìn)行解決。袁榛等［6］以浙江特大斜拉橋工程為研究對(duì)象，通過(guò)Midas GTS有限元軟件對(duì)超長(zhǎng)樁基豎向荷載下樁頂沉降曲線進(jìn)行分析，得出影響超長(zhǎng)樁基的相關(guān)因素。在此基礎(chǔ)上，郭中華等［7］對(duì)海上淤泥區(qū)斜拉橋開(kāi)展相應(yīng)研究，提出基于自平衡法承載力試驗(yàn)法的超長(zhǎng)樁基力學(xué)特性。焦?jié)龋?］依據(jù)相似理論制作超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)模型，研究不同地震波下超長(zhǎng)樁基的動(dòng)力響應(yīng)特征。趙濤［9］建立棧橋施工中整體仿真模型，將數(shù)值模擬與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者實(shí)際位移相互吻合，證明仿真模型的正確性。陳大偉等［10］采用ANSYS有限元軟件對(duì)棧橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為同類型棧橋設(shè)計(jì)提供有力參考。

然而上述研究主要集中于鋼棧橋、超長(zhǎng)樁基、樁-土之間的力學(xué)機(jī)理問(wèn)題，較少涉及鋼棧橋超長(zhǎng)樁基沉樁過(guò)程中樁身的力學(xué)機(jī)制問(wèn)題，因此本文在前人對(duì)鋼棧橋超長(zhǎng)樁基研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮超長(zhǎng)樁基沉樁過(guò)程中自身的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制，利用ABAQUS有限元軟件對(duì)鋼棧橋超長(zhǎng)樁基沉樁過(guò)程中的樁體受力進(jìn)行分析，為今后鋼棧橋超長(zhǎng)樁基的建設(shè)施工提供相應(yīng)依據(jù)。

1 工程背景及設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

本文工點(diǎn)依托于某地區(qū)實(shí)際橋梁工程，該位置屬于平原地貌，橋梁全線長(zhǎng)15 km，采用三塔斜拉橋的方式進(jìn)行越江。為了使主橋施工便利，需要修建相應(yīng)的臨時(shí)鋼棧橋。鋼棧橋設(shè)計(jì)使用年限依據(jù)相應(yīng)規(guī)范定為5年。

1.2 鋼棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超長(zhǎng)樁基鋼棧橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包含以下五個(gè)方面：（1）棧橋的平面布置；（2）棧橋的立面布置；（3）棧橋的橫剖面布置；（4）橋臺(tái)的設(shè)計(jì)；（5）附屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。圖1為鋼棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體流程。

1.3 超長(zhǎng)樁基沉樁方法

鋼棧橋施工中一般采用“釣魚(yú)法”、浮吊法對(duì)超長(zhǎng)樁基進(jìn)行沉樁，在鋼棧橋部分區(qū)域可以參用振動(dòng)錘沉放，用機(jī)械設(shè)備將鋼管樁吊至設(shè)計(jì)點(diǎn)位，利用鋼管樁自重進(jìn)行沉樁，當(dāng)其他條件滿足相應(yīng)規(guī)范要求后可以采用振動(dòng)錘振動(dòng)錘擊。但要注意振動(dòng)時(shí)間，振動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短決定樁是否下沉至合理位置。下頁(yè)圖2～3為振動(dòng)錘沉樁示意圖以及相應(yīng)施工工藝流程。

對(duì)于跨江、跨海橋梁工程的棧橋施工，宜采用打樁船沉樁，但在沉樁前，應(yīng)充分了解打樁水域的工程地質(zhì)背景，采用GPS衛(wèi)星信號(hào)對(duì)其進(jìn)行定位。沉樁過(guò)程中需對(duì)樁偏移問(wèn)題進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整以保證沉樁質(zhì)量，圖4為打樁船沉樁施工過(guò)程。

2 超長(zhǎng)樁基沉樁有限元模型的建立

本節(jié)主要考慮超長(zhǎng)樁基沉樁過(guò)程力學(xué)響應(yīng)特征，基于ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件建立相關(guān)模型。由于樁-土作用力學(xué)機(jī)制相對(duì)復(fù)雜，簡(jiǎn)單建立樁與土之間的模型難以滿足實(shí)際要求，因此采用位移貫入法進(jìn)行沉樁計(jì)算。ABAQUS中樁受力的基本假定為：

（1）不考慮固結(jié)排水以及土塞現(xiàn)象。

（2）模型中考慮土體自重變形（沉樁前）。

（3）鋼管樁本構(gòu)關(guān)系為線彈性模型。

（4）土體采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型。

（5）設(shè)置樁尖角度。

2.1 細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定

由于ABAQUS的數(shù)值模擬軟件并未給出細(xì)觀力學(xué)參數(shù)與宏觀力學(xué)參數(shù)之間的定量關(guān)系表達(dá)式，因此本文根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，采用試錯(cuò)法的方式對(duì)其細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。表1為土的參數(shù)標(biāo)定結(jié)果。

對(duì)于樁，本次橋梁工程選用鋼管樁，其長(zhǎng)度為50 m、直徑為1 000 mm、厚度為12 mm、密度為8 250 kg/m3。表2為鋼管樁具體參數(shù)取值。

2.2 三維模型的建立

本文研究以實(shí)際橋梁工程的棧橋鋼管樁為基礎(chǔ)，建立簡(jiǎn)化的樁土模型（見(jiàn)圖6）。

3 基于有限元的樁體沉樁過(guò)程受力分析

3.1 Mises應(yīng)力

通過(guò)ABAQUS有限元軟件對(duì)不同沉入深度的樁進(jìn)行模擬。圖7為不同沉樁深度條件下，樁身最大Mises應(yīng)力曲線圖。

由圖7可知，隨著沉樁深度的不斷增加，Mises應(yīng)力也在不斷增大。當(dāng)樁尖與土體進(jìn)行接觸時(shí)，應(yīng)力僅為4.2 MPa，當(dāng)樁入土深度為20 m時(shí)，應(yīng)力增至98.35 MPa。對(duì)于超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)而言，隨著入土深度的增加，其傳遞荷載的效率也就越低，因此在實(shí)際沉樁過(guò)程中要對(duì)其進(jìn)行定量計(jì)算。

3.2 不同樁徑下樁體受力分析

不同樁徑下的超長(zhǎng)鋼管樁樁體應(yīng)力變化情況如表3、圖8所示。

根據(jù)表3和圖8可知，隨著沉樁深度的增加，其Mises應(yīng)力不斷增大，當(dāng)沉樁深度恒定時(shí)，隨著樁徑的增大，其應(yīng)力值不斷減小，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。當(dāng)沉樁深度為20 m，樁徑從600 mm擴(kuò)大到1 150 mm時(shí)，其應(yīng)力減小46.43％。由此可知，鋼棧橋超長(zhǎng)樁基沉樁過(guò)程若遇到整體受力情況不利時(shí)，可以通過(guò)增加樁徑的方式，使其應(yīng)力減小，更有利于工程安全。

圖9為不同樁徑條件下，樁沉入土體不同深度時(shí)豎向應(yīng)力變化曲線。

根據(jù)圖9可知，隨著沉樁深度的增加，其豎向應(yīng)力不斷增大，當(dāng)沉樁深度恒定時(shí)，隨著樁徑的增大，其應(yīng)力值不斷減小，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。當(dāng)沉樁深度為20 m時(shí)，600 mm樁徑的樁豎向應(yīng)力最大為93.45 MPa，1 150 mm樁徑的樁豎向應(yīng)力最小為47.25 MPa，其應(yīng)力減小46.43％。

3.3 不同壁厚下樁體受力分析

通過(guò)采用不同壁厚的超長(zhǎng)鋼管樁分析樁體的應(yīng)力變化如圖10所示。

根據(jù)圖10可知，隨著沉樁深度的增加，其Mises應(yīng)力不斷增大，當(dāng)入土深度恒定時(shí)，隨著壁厚的增大，其應(yīng)力值不斷減小，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。因此壁厚越薄，對(duì)工程施工越不利。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)鋼棧橋超長(zhǎng)樁基沉樁力學(xué)機(jī)理進(jìn)行研究，采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件，提出超長(zhǎng)樁基沉樁的三種方法，并針對(duì)不同樁徑下樁體受力過(guò)程中的最大Mises應(yīng)力以及豎向應(yīng)力進(jìn)行分析，提出不同情況下鋼棧橋超長(zhǎng)樁基樁身的力學(xué)規(guī)律，為今后橋梁工程施工提供相應(yīng)依據(jù)。

本文得到如下主要結(jié)論：

（1）鋼棧橋超長(zhǎng)樁基沉樁可以采用“釣魚(yú)法”、浮吊法以及打樁船沉樁法。

（2）隨著沉樁深度的不斷增加，Mises最大應(yīng)力也在不斷增大。對(duì)于超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)而言，隨著沉樁深度的增加，其傳遞荷載的效率降低，因此在實(shí)際沉樁過(guò)程中要對(duì)其進(jìn)行定量計(jì)算。

（3）當(dāng)沉樁深度恒定時(shí)，隨著樁徑的增大，其應(yīng)力值不斷減小，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)。在實(shí)際橋梁工作中鋼棧橋超長(zhǎng)樁基沉樁過(guò)程若遇到整體受力情況不利時(shí)，可以通過(guò)增加樁徑的方式，使其應(yīng)力減小，更有利于工程安全。

（4）當(dāng)沉樁深度恒定時(shí)，隨著樁徑的增大，其應(yīng)力值不斷減小，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。當(dāng)入土深度恒定時(shí)，隨著壁厚的增大，其應(yīng)力值不斷減小。

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收稿日期：2022-12-10