橋梁微型群樁樁土相互作用模擬分析

孟慶峰,王敏賢,王慧東

(1.石家莊鐵道大學土木學院,石家莊 050043;2.石家莊鐵道大學四方學院,石家莊 050043)

1 概述

傳統的橋梁群樁計算理論包括群樁承載力和群樁沉降計算兩部分[1],這兩部分在計算時互不相關。而事實上,由于土的力學性質的復雜性,群樁基礎的總體荷載-位移曲線為緩變型,這個結論已經在理論上和實踐中都得到了證實。因此,對于群樁,尤其是橋梁微型群樁基礎,雖然總體荷載-位移曲線還處于緩變階段,但是群樁的沉降已經不能滿足上部結構變形的要求。

微型群樁基礎在受豎向荷載后,由于應力疊加導致樁-土體系發生變化,進行群樁樁土的相互作用分析最好的方法是試驗,但對于群樁做試驗是比較難實現的[2]。因此,需要建立數值方法分析模擬群樁變化情況。以往的橋梁樁總是按支撐全部荷載而設計,忽視了連續的橋梁樁承臺和全部樁之間土承載力的任何影響;因此,對于微型群樁,需要建立起基于功能要求的群樁理論分析及設計模式。計算方法首先是建立群樁及巖土體的力學模型,通過計算得到其應力場、位移場,以研究群樁的受力變形規律。

2 ANSYS模擬分析計算

對于大多數群樁基礎來說,主要是由于樁周土體出現大片塑性區,使得群樁位移過大而影響結構物的使用功能,此時樁與承臺仍處于彈性變形階段。土的非線性對計算結果的影響很大,而考慮樁及承臺的彈塑性對分析結果的影響較小[2]。基于以上考慮,在對群樁基礎進行彈塑性分析時,只考慮土的彈塑性,而假定樁及承臺處于彈性階段[3],這樣已足以達到工程精度要求。

2.1 單元模擬

樁體和承臺簡化為線彈性體,土體簡化為非線性彈塑性體,采用 ANSYS有限元程序中 Drucker-Prager模型來模擬土體的非線性性能[2]。對 DP模型,其屈服面為一圓錐面,此圓錐面是六角形的摩爾 -庫侖屈服面的外切錐面。DP模型的優點是采用簡單的方法考慮了靜水壓力對屈服強度的影響,參數少,計算簡單,同時也考慮了巖土材料的剪脹性。桿系有限元求得的是單元內力(軸力、剪力和彎矩),不能具體反映單元內部的應力分布情況,本文的有限元計算采用SOLID45單元[4],對 SOLID45單元中的六面體八節點進行網格劃分情況如圖1所示。用實體單元計算,獲得的應力更能反映單元內部的應力分布情況,獲得的應力更能反映土體與群樁之間的相互作用。假設樁的幾何尺寸為樁徑 d=0.2m,樁長 L=10m,其他參數有泊松比 μ=0.2,ES=2.71×107kPa,密度為2 500 kg/m3。選取 1.5d、2d、2.5d、3d樁間距。六樁平面布置如圖2所示。土體參數的取值見表1。

圖1 六樁模型的網格劃分

圖2 六樁模型的平面示意

表1 土體參數

2.2 計算結果

對群樁特性進行模擬分析,每樁承受 600 kN荷載作用,用逐級加載的方式,取 A(z=0時兩邊樁之間的中心點)、B(z=0時邊樁與角樁之間的中心點)、C(z=0時兩角樁之間的中心點)在不同荷載和不同樁距條件下的位移和應力(表2、表3),得出了樁身軸力見圖3、圖4,樁的土體荷載-位移曲線如圖5所示。

表2 六樁樁間節點位移 mm

表3 六樁樁間節點應力 kPa

圖3 六樁角樁樁身軸力

圖4 六樁邊樁樁身軸力

圖5 六樁土體荷載-沉降曲線

2.3 計算結果數據分析

2.3.1 群樁間土體位移和應力變化曲線分析

根據模擬計算,群樁在不同樁距下的土體位移、應力見表2、表3。為了便于比較和描述,均選擇有代表性的最大荷載等級得出的應力、位移。從表中可以看出。

(1)在同一荷載等級和樁距條件下,樁間土體的位移變化規律是:六樁的豎向位移大于單樁的豎向位移[5]。這說明排數和樁數較多時,應力重疊效應增強,使樁間土的變形增加,從而導致豎向位移的增加。

(2)在同一荷載等級和樁距條件下,樁間土體的應力變化規律與豎向位移變化規律相似。

(3)在同一荷載等級和樁距條件下,對于六樁,豎向位移按由大到小排列,依次為 A點、B點、C點。

(4)隨著樁距的增大,樁間土體的變形逐漸變小,樁間土體的應力也隨之變小,這是由于相鄰樁之間的相互作用隨樁距增大而逐漸減弱的結果。

(5)由表中可以看出,樁距為 1.5d和 2d時,六樁樁間土節點 A、B、C點的應力為負,與樁距為 2.5d和3d時的應力符號相反。在 4種樁距下,各節點應力位移曲線的走勢相近,但樁距為 2d、2.5d和 3d時比1.5d的應力值有大的提高。可見微樁樁距選取 2d以上是比較合適的。

2.3.2 群樁中各基樁軸力曲線分析

為了便于描述,群樁各基樁軸力曲線均選擇最大荷載下繪出的軸力圖,由圖3、圖4,可以看出。

(1)群樁體系中,由于各基樁的位置不同,各基樁的承載力特性也不同。角樁承擔的荷載最大,邊樁次之。由于各基樁側阻的發揮不是同步的,角樁側阻的發揮先于邊樁。故隨荷載增大,總的規律是隨著荷載的增大,各樁分擔的荷載趨于接近。

(2)4種不同樁距下,角樁軸力變化規律都是隨樁距的增大而減小,軸力曲線也非常接近。當樁距變化時,角樁承擔的荷載分別約增加了 3.1%。

(3)4種不同樁距下,邊樁的軸力都隨樁距的增大而減小,樁的軸力曲線在 4種樁距下的走勢相近。當樁距從 1.5d到 2d時,邊樁軸力變化不是很大,約增大2.9%,當樁距從 2d到 2.5d,2.5d到 3d時,邊樁的軸力變化幅度增大,約為 4.6%。

2.3.3 荷載-沉降曲線分析

樁基的荷載-沉降曲線是群樁基礎工作性能及群樁效應的綜合反映。由圖5可以看出。

(1)在同一荷載水平下,六樁的沉降大于單樁[6]。當樁距從 1.5d到 2d時,沉降量變化都很小。當樁距從 2d到 2.5d,2.5d到 3d時,沉降都有大幅度的減小,約為 4.9%。再次說明當樁距較小時,樁與樁之間的影響較為明顯。

(2)在同一沉降水平下,對于微型樁六樁,當樁距從 1.5d到 2d,2d到 2.5d,2.5d到 3d變化時,其承載力都有提高,但是樁距從 1.5d到 2d,其承載力的提高并不明顯。

3 工程實例

3.1 工程概況

清江高壩洲水庫溪口橋(圖6)位于清江右岸二級支流中溪河上,橋長 124m,中部為 48m+48m等截面懸鏈線雙曲連拱,兩肋一波加兩個半懸波,凈拱度 1/8,橋面凈寬為 3.5m+2×0.5m。經工程地質勘察發現,墩底面與基巖面間分布有厚 0.5～2.2m的粉質黏土夾塊石層;基巖為奧陶系大灣組紫紅色泥灰巖,墩身多為強風化塊砌成,強度欠佳。建議以基巖作為橋墩基礎持力層,同時采取可靠措施對墩身進行加固處理。

圖6 溪口橋及基礎加固示意(單位:cm)

3.2 加固方案

考慮微樁直徑小,對結構及地基的擾動極小,可以保證加固工作的安全;用鋼管壓注砂漿式微樁對基礎襟邊范圍的地基加固,可以保證施工在橋上進行;用鋼筋籠壓注砂漿式微樁對墩身范圍的地基及墩身進行加固,既達到了加固墩身及地基的目的,也降低了工程造價。經研究對中墩采用 12根鋼筋籠壓注砂漿式微樁群樁穿過 0.5～2.2m的粉質黏土夾塊石層嵌入奧陶系大灣組紫紅色泥灰巖;同時對基礎襟邊范圍的地基采用 32根鋼管壓注砂漿式微樁群樁進行加固;微樁群樁直徑 d=300mm,樁距 3.8d;如圖6所示。

3.3 加固計算分析

采用 Algo對懸鏈線雙曲連拱橋進行計算,中墩基礎頂面壓力最大時,水平力 25.31 kN,垂直力7 268 kN;彎矩最大時,水平力 70.86 kN,垂直力7 170 kN。采用前述計算方法對微樁群樁進行計算,按單樁計算,水平承載力 53.45 kN,垂直承載力14 254kN;考慮群樁樁土的相互作用,水平承載力62.65 kN,垂直承載力14 887 kN。實測微樁群樁垂直承載力15 263 kN。

4 結論

文中采用的微型群樁樁土相互作用 SOLID45實體有限元模擬分析計算方法,計算條件明確,不受試驗條件等因素的影響,因此,結果不帶偶然性,易于歸納和分析;其結果是整個求解域內的應力場、位移場等,能比較全面、細致地反應出樁及巖土體的受力及變形情況;與試驗方法相比,其最大優勢在于計算周期短,費用低,易于改變計算參數以滿足不同的計算目的。計算結果與文獻[6]、文獻[7]中試驗實測數據完全吻合,基于 ANSYS的微型群樁樁土相互作用的模擬分析計算方法可供同類結構計算參考。

[1] 林天健,熊厚金,王利群.樁基礎設計指南[M].北京:中國建筑工業出版社,1999.

[2] 李 瑜.樁與土相互作用體系有限元研究初探[D].南京:河海大學,2003.

[3] 趙 偉.樁土相互作用的數值分析及計算機模擬[D].遼寧:遼寧工程技術大學,2002.

[4] 李 圍.ANSYS土木工程應用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[5] 楊愛文,羅麗娟,李偉平.樁土相互作用及單樁承載力確定模擬研究[J].地質災害與環境保護,2004,15(4):66-69.

[6] 張曉江.微樁工作性狀及其在橋梁工程中的應用研究[D].河北:石家莊鐵道學院,2007.

[7] 王成雷,王建華,馮士倫.土層液化條件下樁土相互作用 p-y關系分析[J].巖土工程學報,2007,29(10):1500-1505.