小北河太子河特大橋樁基砂土問題研究

吳 濤

(遼陽市交通運輸事務服務中心 遼陽市 111000)

0 引言

砂土液化是一種極具破壞性的地質災害。砂土液化有可能引起地面下沉、地基土承載力喪失、樁基失穩及橋梁坍塌等工程問題,對人民群眾財產安全構成重大威脅。因此,充分分析砂土液化問題對掌握橋梁樁基液化災變及風險評估具有重要意義。

砂土液化問題實體工程評估方面,謝瑞杰等[1]以銅陵市水木沖尾砂庫為例,研究發現飽和尾粉砂和尾細砂易在地震作用下產生液化。郭竟語等[2]針對孟加拉地區典型砂土進行液化分析得到,在相同條件下,孟加拉砂比廈門標準砂更易液化。劉鋼等[3]以遼寧臺安地區為例,探究臺安砂土在動荷載作用下動力響應規律,在循環荷載作用下,臺安砂土呈現初期整體受壓、中期拉壓平衡、后期受拉凸顯的動力響應特征。張天元[4]對南水北調中線工程總干渠安陽段進行砂土液化分析,提出在設計和施工時須考慮采用加密法、換土法等方法來消除地基液化問題。劉莎莎[5]以北拒馬河沖積扇為例,基于室內動三軸試驗結果揭示了北拒馬河沖積扇飽和砂土的動力學特性。

室內單元試驗中,葉斌等[6]在細觀尺度使用離散元軟件分析得到,濕搗法制備砂土試樣比落砂法試樣的各向異性程度更小,液化所需的加載循環次數更多。倪雪倩等[7]基于室內試驗,引入液-固相變參數,建立了可統一描述液化后土體應力應變關系的經驗模型。陳育民等[8]將一定條件下的液化砂土視為剪切稀化非牛頓流體,且在剪切稀化狀態下可發生較大的應變。綜上所述,砂土液化問題分析是保證工程可靠性與安全性的重要分析過程,是橋梁設計、道路改擴建中必不可少的一環。

鑒于此,文章以遼陽市小北河太子河特大橋為例,分析砂土液化對太子河大橋施工設計的影響,探究太子河大橋樁基及承臺在砂土液化下的合理埋置深度,探究不同樁長下樁激勵振動對砂土的細觀運動特性影響,從而揭示砂土液化與樁基振動對橋梁工程的影響機理。

1 太子河特大橋概況與設計要求

1.1 項目概況

小北河太子河特大橋位于遼陽市西北側,省道沈環線利用該橋跨越太子河。原小北河大橋建于1986年,橋長231m,橋面凈寬7m。2023年開展改擴建設計,起點位于沈環線樁號K207+500處,橋梁中心樁號為K209+045,終點位于小北河鎮內與縣道佟高線交叉,終點樁號為K210+441.324,路線全長2.941km。設計速度為60km/h,公路路面凈寬10.5m。橋梁方案為30m預應力混凝土連續T梁。

1.2 地質概況

小北河太子河特大橋場地地層以第四系沖洪積粉質粘土、粉細砂及粉土為主。根據地下勘探結果,在地下15m范圍內存在存在填筑土①1、粉砂④1、細砂③2、細砂③1、粉質粘土②1、粉質粘土②2、粉砂④2、粉質粘土⑤1、粉質粘土⑤2、粉土⑤3等。其中飽和狀態為:粉細砂③1、細砂③2、砂④1、粉砂④2,其余不屬于飽和狀態。地層由淺到深地質條件及力學特征見表1與表2。

表1 地層地質條件

表2 地層力學特征

1.3 設計要求

小北河太子河特大橋設計滿足《公路工程抗震設計規范》(JTJ 004—2005)以下條文要求:

(1)存在飽和砂土或粉土的地基,當地震動峰值加速度≥0.1g時應進行液化判斷,存在液化土層的地基,應根據構造物的抗震設防類別地基液化等級,采取相應措施。

(2)當地面以下15m范圍內有飽和砂土或飽和亞砂土時,可初步判斷有可能液化。

(3)用樁基時,樁端伸入液化深度以下穩定土層中的固定長度不小于1.5m。

(4)存在液化地基的樁基,液化土層的樁周摩擦力、水平抗力均宜乘以液化影響折減系數。

2 砂土液化分析

2.1 地震液化評價

文章根據《公路工程抗震規范》(JTG B02—2013),對第3層細砂,第4層粉砂及第5層粉土進行液化判別。第3層細砂、第4層粉砂和第5層粉土地質年代為全新世,又以其上覆非液化土層厚度du和地下水位深度dw之間的關系判斷,均在考慮液化影響范圍之內。文章結合本項目地區地震效應,根據實驗數據粉砂、粉土中的黏粒含量及標準貫入數據等,重點就鉆孔液化等級與液化深度展開研究,經計算確定砂土層局部存在砂土液化現象,具體砂土液化情況見表3。

表3 砂土液化情況調查表

2.2 不考慮振動液化的樁長計算

文章選取典型3#墩樁及鉆孔ZK13為分析對象,進行樁長計算。ZK13土層分布為6m厚的粉質粘土②1、7.2m厚的細砂③1、3.6m厚的粉質粘土②2、8.0m厚的粉砂④2、10.8m厚的粉砂④3、9.1m厚的細砂③3,總厚度44.7m。

文章依據《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG 3363—2019)鉆孔灌注樁單樁軸向受壓承載力特征值即式(1)對樁長進行計算:

(1)

式中:Ra為單樁軸向受壓承載力特征值,取值為5100kN;u為樁身周長,單位m;Ap為樁端截面面積,單位m2;n為土層數;li為承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度,單位m;qik為與li對應的各土層與樁側的摩阻力標準值,單位kPa,各層qik取值見表4。qF為修正后的樁端土承載力特征值,單位kPa。計算得到樁長L為43.67m,取值為44m。

表4 各地層qik取值

2.3 砂土液化后樁長計算

在15m深度范圍內,土層分布為6m厚的粉質粘土②1,7.2m厚的細砂③1,1.8m厚的粉質粘土②2。僅細砂③1處于飽和狀態,故應進一步考慮砂土液化問題。文章對Ra單樁軸向受壓承載力特征值進行重新計算,按照偶然作用組合,為2570kN。小北河太子河特大橋根據《公路橋梁抗震設計規范》(JTJ 004—2005),屬于B類橋梁,不考慮豎向地震力。

文章以ZK13為主要分析對象,土層分布為6m厚的粉質粘土②1,承載力基本允許值為120kPa。7.2m厚的細砂③1,承載力基本允許值為140kPa。3.6m厚的粉質粘土②2,承載力基本允許值為140～160kPa。8.0m厚的粉砂④2,承載力基本允許值為120kPa。10.8m厚的粉砂④3,承載力基本允許值為160kPa。9.1m厚的細砂③3,承載力基本允許值為260kPa,總厚度44.7m。其標準貫入錘擊數修正系數Cn為0.89,實測土層的修正標準貫入錘擊數N1=9.79,液化判別標準貫入錘擊數Ncr=10.4714,其中N1小于Ncr,可判斷為液化。液化指數Ce=0.935,為輕微液化。故按照規范液化折減系數取值,重新計算細砂③1樁周摩擦剪應力τ=23.3kPa。根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG 3363—2019)鉆孔灌注樁摩擦樁計算公式,計算樁長僅需滿足36m即可。

3 不同樁基長度下砂土運動特性

3.1 離散單元法

離散元法的本質是將連續體離散化為離散單元體,并在計算過程中滿足以下基本假定:

(1)離散體顆粒單元為剛度很大的球體。

(2)顆粒之間的接觸范圍很小,假定為點接觸。

(3)顆粒之間的接觸特性為柔性接觸,允許顆粒之間出現一定的重疊量,但重疊量相比于顆粒單元尺寸很小。

(4)顆粒單元接觸處可設置包括剛度、黏結強度等在內的細觀參數。

文章將地基離散化為均質的球體,以Wall來代替剛性的樁基礎,深入分析樁基振動對周圍砂土細觀力學特性的影響。

3.2 模擬分析結果

采用分層壓縮法進行成樣,并刪除部分顆粒生成樁基礎。樁基礎如圖1所示。

圖1 樁基礎示意圖

對樁基施加正弦波進行垂直方向振動,同時對樁基底部水平方向由遠及近4點進行速度監測,監測情況如圖2所示。

圖2 樁基礎及監測點示意圖

考慮模型精度與軟件計算效率,假定淺樁基礎為1.5m,中樁基礎為2.2m,深樁基礎為3.0m。對不同樁長下監測點的運動情況進行分析,不同樁長下監測點時程曲線如圖3～圖5所示。

圖3 淺樁基礎振動時程曲線

圖4 中樁基礎振動時程曲線

圖5 深樁基礎振動時程曲線

由圖3～圖5可知,隨著監測點離樁基距離的增加,其振動是越弱的。淺樁基礎對于監測點的振動影響是明顯大于其他兩類的。由圖4和圖5可知,監測點的振動效應并未隨著樁長的增加發生明顯的減弱現象。但在加載后期,監測點的運動狀態隨著樁長的增加而逐漸穩定。

不同樁長下監測點在樁基振動初期0～0.2s內的運動狀態如圖6～圖8所示。

圖6 淺樁基礎初期運動狀態曲線

圖7 中樁基礎初期運動狀態曲線

圖8 深樁基礎初期運動狀態曲線

由圖6～圖8可知,A點的運動狀態明顯強于B、C、D點。且隨著監測點對樁基距離的增加,監測點所受的振動影響收到明顯減弱。圖8中A點運動曲線更為規律,這說明隨著樁基長度的增加,使得砂土在加載初期運動變異性降低。建議在工程中采取較長樁基礎。

4 結論

以遼陽縣小北河太子河特大橋為例,對其地面砂土進行液化分析,具體結論如下:

(1)小北河太子河特大橋地面以下15m范圍內存在填筑土、粉質粘土、細砂和粉砂多種土層,細砂存在砂土液化現象,水平為輕微液化。

(2)小北河太子河特大橋設計樁長超過15m,具有足夠的安全性與可靠性。

(3)實體工程需考慮砂土液化的影響,樁長小于設計樁長時,實際樁長還需基本組合控制設計。

(4)樁長的增加有利于周圍砂土運動狀態的穩定性,但合理的樁長取值才是保證實體工程的關鍵。