某跨江大橋地基基礎穩定性分析中的若干問題探討

仲云飛 （江蘇省建苑巖土工程勘測有限公司，江蘇 南京 210029）

某跨江大橋地基基礎穩定性分析中的若干問題探討

仲云飛 （江蘇省建苑巖土工程勘測有限公司，江蘇 南京 210029）

以某跨江大橋為例，針對地基基礎設計中存在的諸如分析方法、本構模型和接觸面單元、計算參數以及施工仿真等方面的有爭議的部分問題進行了分析，提出了解決途徑并明確了在指導設計中的意義，為指導設計、施工提供理論指導。

地基基礎；穩定性分析；本構模型；施工仿真

1 工程概況

跨江大橋建設規模大、投資高、安全性問題突出，大橋基礎的穩定性問題一直是交通道橋領域研究的熱點和難點問題。某跨江大橋地基第四紀覆蓋層厚度達300m，橋墩下采用大直徑鉆孔灌注樁后注漿。由于覆蓋層厚度大，樁端實際位于相對較軟弱的土基上。對于此類超大直徑的群樁基礎是否穩定、樁身軸力分布、樁承臺內應力、樁基礎沉降、水平位移與各橋墩的位移等問題都應該明確。

大型垮江橋梁的基礎對沉降和變形以及受力情況有著極其嚴格的要求。某跨江大橋索塔基礎采用直徑2.5m，樁長120m，平均樁間距6.25m的超大、超長的鉆孔灌注樁基礎，對于大直徑、超長度以及復雜水文地質條件下的樁基礎設計是否能夠按照現有傳統的基礎設計規范進行設計，是設計人員重點關注的問題。另外，基礎、結構以及地基土層作為共同作用體，傳統的規范方法無法模擬三者的共同作用，基于現行規范的施工圖設計的可靠性和可信性存在一定的問題。基于上述考慮，為保證大橋在基礎施工及運營期的安全，有必要對大橋地基基礎穩定性分析中的幾個關鍵性技術問題進行明確。

2 群樁基礎與土體共同作用研究

2.1 現有分析方法及不足

目前大多數研究群樁-土-承臺結構共同作用分析方法的出發點都基于彈性半空間基礎上建立的布辛奈斯克(Boussinesq)解和明德林(Mindlin)解。兩者的相同點是是把地基土視為各向同性彈性體,忽略了土的非均質性等因素，區別在于布辛奈斯克解所針對的應力應變關系都是在彈性半空間的表面，而明德林解可以在彈性半空間體內任何一點。對此規范設計中作了若干簡化假定，但簡化和假定主要是基于中小型樁基的大量實踐經驗，實踐表明，按此計算，與實際觀測報告相比，沉降明顯偏大，設計相對偏于安全的，經濟型有待商榷。在規范推薦公式的基礎上部分學者和研究人員進行了修正和補充完善，取得了大量有益的成果，比如Butterfield和Banerjee[1]采用明德林位移基本解建立的彈性分析方法和Chow[2]將理論t-z曲線[3]非線性分析法。對該跨江大橋基礎等特大型群樁基礎，國內外的實例和經驗均少，不能完全依賴于經驗的、簡化的常規設計方法，有必要引入新的思路和分析方法。

圍繞大直徑超長群樁基礎的承載性能研究，國內外學者和研究人員主要從模型實驗和數值模擬分析入手，在此基礎上得到符合性驗證結果并推薦相應的計算方法。鑒于超大型項目如本文所提及的大橋，在超厚軟弱地層和復雜的水文地質條件下研究和工程實例在國內外還很少見，故有必要對設計中常見的幾個問題進行明確。

2.2 基礎設計中的主要問題

某跨江大橋兩個主塔基礎場地覆蓋層厚度300m左右，樁端位于地層分布相對較穩定及層厚較均勻的沉積地層中，樁長120m左右。基礎的面積、體積及剛度大，同時，群樁效應導致樁基的受力不均，樁基沉降大，超大樁長的摩擦樁的受力機理非常復雜[4]。設計施工中面臨的主要的技術問題是超長大直徑鉆孔灌注樁承載性能復雜，樁的受力特性、樁基沉降、軸力的分配規律等；在不同時間效應、不同荷載工況下，復雜的水文條件下群樁的受力、沉降更為復雜。

3 解決思路

大型復雜群樁基礎通常根據變形進行基礎設計，對此，有限元數值分析法提供了較好的解決思路和方法，該采用數值模擬法，假設地基土水平成層，同一土層均質，各項同性，土體為理想彈塑性材料，樁為線彈性材料。將樁、土、承臺一起作為脫離體分析其受力變形，在求解中自然地體現它們之間的共同作用。從原則上講，能夠模擬樁基的實際工作性能，如尺寸效應，剛度影響荷載作用方式及大小。該法可以充分考慮土層的應力應變非線性特性，土層的非均質性（成層性），考慮復雜的荷載狀態和復雜的樁土界面特性條件，樁土響應的時間效應施工效應及群樁效應等。通過計算，還可以給出每根樁、每個局部，在加荷的每個階段的受力變形狀況。因此有必要通過三維非線性有限元計算分析，可以更好地回答大橋樁基礎設計中的變形等穩定性分析問題，進一步論證設計的合理性，更恰當地評價樁基礎的安全性，或者提出實施中需要注意的薄弱環節。目前有限元數值模擬方法的難點主要在于樁、土體本構模型的合理選擇和本構模型的參數選取方面，文章對幾個關鍵性問題進行相關探討。

4 土體本構模型及接觸面單元的選取

4.1 土體本構模型的選擇

土體應力變形的非線性特性對能否準確模擬土體及結構物的應力變形特性有重要影響，從而影響到土與結構共同作用的性質，應當選擇恰當的土體本構模型對這種非線性特征進行描述。針對目前的設計方案，采用非線性三維有限元方法考慮橋墩群樁、承臺、地基土的共同作用，模擬實際的荷載條件、邊界條件、土體的非線性特性，計算其受力變形。演算過程表明，土的本構模型采用鄧肯－張雙曲線非線性彈性模型吻合度較好。

在模型建立方面，應充分考慮結構剛度對基礎變形和受力的影響，將樁基礎施工分為多個不同階段進行模擬，在模擬過程中應當考慮樁土接觸問題、施工的時間效應、結構的剛度和注漿加固等多種情形下基礎沉降和應力分布的規律。總體來講，模型的建立以省時、可行和可靠為目的。

4.2 接觸面單元的選擇

由于樁體材料為混凝土，混凝土模量遠高于樁側土體的模量，在水平或豎直荷載作用下，樁土之間必然存在位移，同時考慮到由于水下作業鉆孔灌注樁采用護壁泥漿必然對樁周土體產生擾動，樁周存在與樁間土性質不同的區域，在此條件下，因此設置接觸面單元更符合實際邊界條件。

接觸面單元主要有兩種型式：①Goodman單元[5]，無厚度，形式簡單，應用便捷，能夠考慮到接觸面變形的非線性特質，缺陷是實際工程中兩側單元可能相互嵌入，法向位移可能產生偏差，通用解決方案是受壓時彈性系數取大值，受拉時取小值，但是物理意義不明確，實際使用時尚應結合水文條件、施工工況等條件時應加以修正。②有厚度的薄單元，如Desai單元[6]等。Desai單元概念與實際工況比較吻合，能夠較好的模擬結構面的錯動、剪切等接觸狀態，更符合實際。但是依據Desai的建議薄單元的厚度，可取單元長度的0.01～0.1取值，范圍過大。實際應用中，取值過大，與實際單元接近，失去模擬意義；取值過小，計算精度下降。為了了解接觸面單元厚度對計算的影響，應該對幾種不同厚度的接觸面單元作對比計算，并對模型進行相應修正。

4.3 計算參數的取值

數值模擬計算參數的合理確定關系到計算成果的合理與否。模型主要涉及的樁土材料力學參數有：樁體的彈性模量、泊松比、土體的彈性模量、泊松比、粘聚力、內摩擦角等。其中樁體的參數較為明確，可以有規范或試驗值參考。但是土體彈性模量等取值難以確定，對計算結果影響甚大。設計人員常常依據經驗公式，以勘察報告提供的壓縮模量進行換算取值，人為因素大，缺乏理論依據，導致不同取值下的沉降計算結果相差過大。大比例模型試驗精度高，試驗后可得到本構模型和相應參數，但是對于一般情況，鑒于現場模擬難度大、費用高，故目前設計人員仍然多采用室內試驗數據如三軸儀固結排水試驗、固結試驗、直剪試驗等的結果近似確定，這就對勘察報告的質量提出了很高的要求。由于室內試驗與巖土的原始實際受力條件通常不符，依據巖土工程勘察報告提供的三軸固結排水曲線、固結排水剪試驗數據和直剪試驗數據進行整理取值，模擬結果沉降將相當大。這是由于室內試驗由于土的擾動，無法保存原來的結構性，實際土體在百米深處存在相當大的自重應力，取出后應力釋放。但如果試驗時并未先加荷到原來的壓力后再開始逐級加荷，就會造成了壓縮模量偏小。為此，室內土工試驗數據應盡可能還原土的原始狀態，試驗前可先進行自重應力下的預固結等前期試驗，可以需要利用固結試驗和直剪試驗資料確定對應土層的參數。沉降計算時仍應結合已有計算經驗并參照其它類似工程，實際使用加以數據修正。

有厚度接觸面單元也需要強度指標，實際上彈性模量和泊松比也是非線形的。考慮到樁基施工時對樁周土的擾動，以及泥皮效應會使樁基及土的強度和模量不同程度的降低。對于接觸面強度降低的問題。水利大壩工程作過不少接觸面變形試驗，主要用大比例模型結合大型直剪儀進行，模擬精度較高。故在大型橋梁基礎設計與三維模擬時，可參照類似水利工程中的參數進行取值，實踐證明效果較好。

5 施工過程的仿真

某垮江大型橋梁基礎的承臺設計厚度大，一般為12m，遠超一般中小規模項目承臺，在計算模擬時應當將其分級，模擬時應隨著荷載增加逐步增加單元。同時應模擬混凝土澆筑、硬化過程，澆筑初期，剛度強度均低，作為柔性材料，無法調整各樁之間的荷載分配，只能將荷載傳到緊挨其下的樁體上。如果樁的布置是均勻的，荷載也是均勻的，那么各樁承擔的荷載就大體一致。當承臺混凝土強度和模量都達到設計值后，承臺將均勻下沉，承臺所受的樁反力就變得不均勻了，也就是承臺將調整樁軸力的分布。因此，承臺是柔性還是剛性對樁群軸力的分布有顯著影響。設計計算中應當模擬這種混凝土由軟到硬的過程。

水流沖刷對樁基的影響，跨江大橋水文地質條件復雜，隨著樁基施工的進行導致樁周土體被水流反復沖刷，影響樁基礎的承載性能，鑒于深水環境下大型橋樁基礎從建設到施工、使用期河床沖刷等經驗較少，對此積累的沖刷條件下樁基礎的承載性能研究亦少見。目前仍然多采用經驗或半經驗公式，但已有的研究成果和資料表明其基本的規律是隨著沖刷深度的增加，基礎存在回彈效應[7]，對應的存在臨界深度，對此，有待進一步深入研究。

[1]Butterfield R，Bane rjee P K.The Problem of Pile-Group-Pile Cap Interaction.Geotechnique，1971，21(2)：135-142.

[2]Chow Y K.Analysis of Vertically Loaded Pile Groups.International Journal for Numerical and Analytical Meth-ods in Geomechanics，1986,10：59-72.

[3]Kraft L M，Ray R P，Kagawa T.Theoretical t-z Curves.Journal of the GeotechnicalEngineering Division，ASCE，1978，104 (GT12)：1465-1488.

[4]程曄.超長大直徑鉆孔灌注樁承載性能研究[D].南京：東南大學，2005.

[5]錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算[M].北京：水利電力出版社，1996.

[6]殷宗澤.土工數值計算[M].北京：水利電力出版社，1994.窗體底端

[7]袁燈平.大直徑超長橋梁樁基與群樁基礎豎向承載特性及沉降控制研究[D].上海：同濟大學，2007.

U445.55

B

1007-7359（2016）06-0124-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.047

仲云飛（1977-），男，江蘇海安人，畢業于河海大學，碩士，高級工程師。