傾斜地基橋臺樁基加固的有限元分析

■ 陳朝栩

(1.福建省交通科學技術研究所；2.福建省路翔工程設計有限公司；3.福建省公路工程試驗檢測中心站，福州 350004)

傾斜地基橋臺樁基加固的有限元分析

■ 陳朝栩1，2，3

(1.福建省交通科學技術研究所；2.福建省路翔工程設計有限公司；3.福建省公路工程試驗檢測中心站，福州 350004)

針對山區某高速公路上某傾斜地基上的橋臺，基于MIDAS/GTS NX大型巖土有限元分析軟件，建立考慮巖土體與樁土接觸特性的傾斜地基—橋臺—樁模型，對傾斜地基上橋臺施工過程進行了有限元模擬，分別對樁基加固前、后計算工況進行分析。結果表明：采用樁基加固后，橋臺的沉降變形明顯降低，降低幅度超過70%；最內側樁的彎矩隨著后緣堆土施工及土坡坡面頂部加載呈現逐漸增大趨勢，且最大樁身彎矩值的增幅約在10%～20%之間。

樁基 軟巖 橋臺基礎 有限元分析

1 引言

隨著我國經濟快速的發展，交通建設得以大力開展，尤其是山區高速公路的建設。山區地基因強度較低而出現不均勻沉降，導致建設的工程發生基礎斷裂、傾斜、地基滑動等事故[1]。在山區高速公路的建設中，為滿足總體路線設計要求，傍山公路及傍山隧道逐步增多，常采用橋梁和隧道對公路進行連接，其中，路橋連接中涉及到橋臺加固施工，且橋臺樁基礎常坐落于傾斜的地基，應當對該問題進行重視。

在山區公路建設中兩類典型的低強度傾斜地基十分常見，一種是斜坡軟土，另外一種是松散的巖堆坡地。從力學角度分析，軟土地區橋臺路基填土時，橋臺基樁彎矩及樁側負摩阻力因填土高度及施工順序不同而改變，橋臺基樁彎矩對橋臺樁基側向影響主要集中在過渡段填筑期[2-3]，此時臺后路基荷載會使地基軟弱下臥層發生壓縮和水平移動，致使橋臺樁基的受力性狀十分復雜[4]。基于有限元分析，傾斜軟弱地基的破壞模式為沿地基傾斜方向向下滑裂破壞，在填土荷載作用下地基失穩的可能性更大[5]。有限元方法一定程度上反映土體的本構關系，可以采用有限元方法來評價傾斜軟弱地基填方工程在應用樁基礎前、后的安全性。

本文針對福建某高速公路中的某橋臺基礎，基于MIDAS/GTS NX大型巖土有限元分析軟件，建立考慮巖土體與樁土接觸特性的傾斜地基-橋臺-樁模型，研究了傾斜地基上橋臺樁基加固的效果。

2 工程概況

該模型(圖1)由相互不同的3個地層和鄰接傾斜地基的橋臺基礎及樁組成。本案例基于堆土體施工及荷載加載的施工階段進行分析。

在6.4m×10m的基礎板上端建立橋臺，在堆土體上部把 100kN/m2的荷載分成5個階段加載，分析在每一階段的橋臺水平位移及沉降趨勢。同時在基礎下部添加20個規格為600 mm×12mm的鋼管樁，并分析其對基礎沉降的影響，生成2個計算工況：樁基礎加固前、樁基礎加固后，以此來判斷樁基礎的適用性。

圖1 模型示意圖

3 計算模型

3.1 模型尺寸及網格劃分

圖2和圖3為模型的三維網格劃分圖，網格最大尺寸設為1m。其中巖土體采用實體單元建模，樁和樁土接觸界面采用梁單元，作為抗拉壓、抗剪切、抗扭轉的結構構件，可以定義樁界面周圍和樁端上的剛度，以確定樁與相鄰土體的摩擦行為和相對位移。

圖2 模型整體三維網格劃分示意圖

圖3 樁三維網格劃分示意圖

3.2 材料參數

巖土體采用摩爾庫倫模型，橋臺和樁采用線彈性模型，具體參數如表1所示。樁土接觸界面的剪切剛度模量為50000kPa，剪切剛度模量為500000kPa。

表1 巖土體與結構的物理力學參數

3.3 邊界條件

樁單元約束Rz自由度，以防止自由度約束不足的錯誤發生。模型底部邊界約束豎向位移，模型前后方向約束x方向位移，模型左右約束y方向位移。

3.4 計算工況

為模擬該橋臺基礎施工過程，定義了2種計算工況，即未考慮樁基礎加固的施工工況和考慮樁基礎加固的施工工況。

施工步驟如下：

(1)地應力分析，計算在施工前原場地的應力初始分布。在此階段，原始巖層由于重力產生的變形清零，即只考慮施工以后產生的變形。該步驟對應軟件中的施工分析步1。

(2)開挖基礎，用于橋臺施工。該步驟對應軟件中的施工分析步2。

(3)對于未加樁時，僅對橋臺及承臺施工，采用混凝土澆筑橋臺和承臺；對于加樁工況，對橋臺、承臺及樁基礎進行施工。該步驟對應軟件中的施工分析步3。

(4)橋臺后緣堆土路基施工。該步驟對應軟件中的施工分析步4。

(5)路基上部堆載施工。該步驟對應軟件中的施工分析步 5、6、7、8、9。

4 計算結果分析

4.1 橋臺水平位移

針對兩種計算工況，給出模型的水平位移云圖，從圖4(a)、(b)可看出，加樁前水平位移最大的位置出現于坡面處，而加樁后水平位移最大位置向內部移動。

圖4 橋臺水平位移云圖

4.2 橋臺沉降

圖5為橋臺頂部節點沉降隨施工步驟的變化曲線，隨著施工過程的進行，橋臺的沉降量逐漸增大，在2、3、4分析步中沉降占主要部分。從圖中可觀察到，加樁后橋臺的沉降明顯降低。

圖5 橋臺頂部節點沉降隨施工步驟的變化曲線

從圖6(a)和(b)可發現，在施工結束后，加樁后橋臺頂部節點的沉降變形從5.6cm降至1.6cm，橋臺外側節點沉降變形從4.9cm降至1.1cm，降低幅度超過70%。

圖6 橋臺沉降云圖

4.3 承臺內力分析

加樁前后的承臺基礎板的彎矩(x方向)如圖7所示，對于未加樁時的承臺，其彎矩為“+”值，而加樁后，承臺彎矩的方向發生改變，為“-”值。說明樁基加固的效果顯著。

圖7 承臺彎矩

4.4 樁身分析

沿x方向，給出中間一排樁的變形云圖，如圖8所示，水平位移最大值出現在最內側樁頂部位，大小為4.58cm，豎向位移最大值也出現于此處，大小為0.46cm。

圖8 樁體變形云圖

樁身內力云圖分布見圖9，樁身軸力分布均是中間大、兩端小，最大軸力出現于最內側樁中部，大小為883kN。樁身彎矩分布如圖9(b)所示，最大彎矩值出現于最內側樁中部，大小為324kN·m。

圖9 樁身內力云圖

為了解施工過程中樁身的內力變化，以最內側樁為例，給出樁身彎矩隨施工過程變化曲線，見圖10。從圖中可知，在樁基礎施工結束時(施工步3)，彎矩值很小，可以忽略不計，隨著后緣堆土施工及土坡坡面頂部加載(施工步4～9)，樁身彎矩逐漸增大，最大彎矩出現于樁身1/4處，即風化巖層處。且最大樁身彎矩值的增幅分別為19.06%、17.93%、16.89%、15.75%、14.66%， 呈線性增長趨勢，最終彎矩值達到324kN·m。

圖10 最內側樁身彎矩隨施工過程變化曲線

5 結論

本文針對某高速公路中的橋臺基礎，采用有限元分析方法，建立了考慮巖土體與樁土接觸特性的傾斜地基-橋臺-樁模型和未設樁的模型，通過計算，分析了傾斜地基上橋臺樁基加固的效果。得到以下結論：

(1）在樁基加固后，橋臺的水平位移變化不太明顯，但橋臺的沉降降低幅度超過70%，承臺的彎矩從正值變為負值，加固效果明顯。

(2)對橋臺進行樁基加固后，樁身最大水平位移4.58cm，豎向位移0.46cm，最大軸力為883kN，最大彎矩為 324kN·m。

(3）最內側樁的彎矩隨著后緣堆土施工及土坡坡面頂部加載(施工步4～9)逐漸增大，最大彎矩出現于樁身1/4處，即風化巖層處；且最大樁身彎矩值的增幅分別為19.06%、17.93%、16.89%、15.75%、14.66%， 最終最大彎矩值達到324kN·m。

[1]石常青.山區巖土地基與處理分析[J].改革與開放，2011，(16)：185.

[2]聶如松，冷伍明，律文田.軟基臺后路基填土對橋臺樁基側向影響的試驗研究[J].巖土工程學報，2005，(12)：1487-1490.

[3]陳雪華，律文田，王永和.臺后填土對橋臺樁基的影響分析[J].巖土工程學報，2006，(07)：910-913.

[4]聶如松，冷伍明，楊奇，等.路基填土對橋臺樁基影響的試驗與數值仿真分析[J].巖土力學，2009，(09)：2862-2868.

[5]劉金龍，陳陸望，汪東林.基于傾斜軟弱地基的填方工程特性分析[J].巖土力學，2010，(06)：2006-2010.