地表堆載對(duì)臨近橋梁群樁受力和位移影響分析

馮 超，趙 鵬

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院 烏魯木齊市 830000)

0 引言

工程中經(jīng)常會(huì)遇到土方臨時(shí)堆放情況，不合理地設(shè)計(jì)土方堆放對(duì)于臨近橋梁樁基安全具有較為重要的影響，因此，工程師們對(duì)此問題高度重視。近年來，國內(nèi)一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，主要有：趙偉封、黃清等[1-2]基于Terzaghi地基承載力公式，將地表的帶狀堆載等效為埋深為零的條形基礎(chǔ)荷載，根據(jù)承載力計(jì)算公式中地基土整體剪切破壞時(shí)的滑動(dòng)面形狀，采用極限平衡法得到保證地基穩(wěn)定的最大堆載高度以及帶狀堆載主要影響區(qū)的計(jì)算公式；王國粹等[3]提出了分析堆載對(duì)鄰近樁基影響的簡化彈性地基梁模型,并針對(duì)實(shí)際工程，與二維有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析了該方法的可行性，討論了地基反力系數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，確定了地基反力系數(shù)的取值方法；王建華、孫茂強(qiáng)等[4-5]利用Biot固結(jié)理論和積分方程方法研究了表面有堆載的群樁負(fù)摩擦問題，根據(jù)基本解得出了群樁在圓形均布載荷作用下在時(shí)間域內(nèi)的第二類Fredholm積分方程組，運(yùn)用Laplace變換對(duì)上述積分方程組進(jìn)行簡化，求解上述積分方程組并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值逆變換就可得出群樁在表面圓形均布載荷作用下的變形、軸力、孔壓和樁側(cè)摩阻力隨時(shí)間的變化情況；馬學(xué)寧、江洎洧等[6-7]為研究圍載和單側(cè)邊載作用下群樁中不同位置樁基的受力差異，以3×3群樁基礎(chǔ)為研究對(duì)象，進(jìn)行圍載和單側(cè)邊載作用下的模型試驗(yàn)，分析了不同位置樁基軸力、側(cè)摩阻力、中性點(diǎn)位置和基樁承載力安全系數(shù)等的變化規(guī)律及差異。本文主要以某地區(qū)地表堆載臨近橋梁群樁樁基為例，采用有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值模型，重點(diǎn)分析了堆載對(duì)樁體的位移、軸力和樁側(cè)摩阻力的影響，研究結(jié)果可為類似工程設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某高架橋?yàn)槿簶痘A(chǔ)，由于臨近土方臨時(shí)堆放于此，可能會(huì)對(duì)樁基產(chǎn)生一定的影響。橋梁樁基直徑為1.0m，呈3×3分布，樁間距為3m，樁長58m，承臺(tái)長和寬均為8.0m，高度為2.0m，堆載采用通長布置。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件土體從上至下分為四層，依次為軟黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂和粉土，深度依次為18.0m、24.0m、16.5m和41.5m。如圖1(a)所示，為群樁與堆載關(guān)系示意圖，圖1(b)為樁基分布平面圖，為了便于分析研究，對(duì)樁基進(jìn)行了編號(hào)，由于對(duì)稱性，上側(cè)一排和最下側(cè)一排序號(hào)相同。設(shè)計(jì)堆載寬度為8m，距離群樁承臺(tái)邊緣5m，高度為5m。根據(jù)單樁設(shè)計(jì)承載力，群樁承臺(tái)頂荷載取39250kN，計(jì)算荷載采用均布?jí)毫Γ?85kPa。

圖1 堆載與樁基位置關(guān)系示意圖

2 數(shù)值建模

如圖2所示，為了分析堆載作用下橋梁群樁樁基是否受到較大影響，采用有限元軟件ABAQUS建立的數(shù)值模型，考慮到模型的邊界效應(yīng)，模型的長寬高分別取60m、30m和100m，樁體和土體均采用實(shí)體單元模擬，除上邊界以外，其他邊界均進(jìn)行位移約束，用來模擬半無限體，土體采用摩爾庫倫本構(gòu)模型。樁基、承臺(tái)以及堆載尺寸按照本文上一節(jié)交代內(nèi)容模擬。如表1所示，給出了土體以及堆載土的彈性模量、摩擦角、重度、泊松比以及粘聚力等。混凝土樁基采用的線彈性模型，彈性模量取32GPa，密度取2600kg/m3，泊松比取0.2。

圖2 數(shù)值模型圖

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 堆載作用下的模型變形分析

如圖3所示，為設(shè)計(jì)堆載距離作用下模型整體豎向位移云圖。由圖可知，在堆載作用下，會(huì)使周圍土體發(fā)生明顯的沉降，并影響到樁基自身，此外由于樁土之間是相互作用，土體發(fā)生變形勢(shì)必會(huì)影響樁基發(fā)生變位，因此，堆載會(huì)對(duì)樁基的安全產(chǎn)生不利影響。

圖3 堆載作用下模型整體豎向位移云圖

3.2 堆載作用下的樁體受力和位移分析

為了更為深入地分析設(shè)計(jì)堆載對(duì)群樁的影響，以樁身軸力、樁側(cè)摩阻力以及樁身沉降作為分析對(duì)象，對(duì)堆載作用下1#～6#樁進(jìn)行全面的監(jiān)測，具體分析如下。

3.2.1樁身軸力

軸力是反映樁基安全狀態(tài)的重要參數(shù)，如圖4所示，給出了堆載作用下群樁樁身的軸力曲線。由圖可知，樁身軸力呈現(xiàn)出沿深度向下軸力先增大后減小的趨勢(shì)，樁底軸力大小基本相同。其中1#樁最大軸力為6.92×103kN，最大軸力發(fā)生在樁身埋深17m左右；2#樁最大軸力為5.70×103kN，最大軸力發(fā)生在樁身埋深16m左右；3#樁最大軸力為4.84×103kN，最大軸力發(fā)生在樁身埋深15m左右；4#樁最大軸力為3.86×103kN，最大軸力發(fā)生在樁身埋深15m左右；5#樁最大軸力為5.52×103kN，最大軸力發(fā)生在樁身埋深5m左右；6#樁最大軸力為4.58×103kN，最大軸力發(fā)生在樁身埋深5m左右。綜上可知，1#樁、3#樁和5#樁的整體軸力要分別對(duì)應(yīng)大于2#樁、4#樁和6#樁的軸力，即堆載對(duì)承臺(tái)邊緣一排樁基的影響要大于中間的一排樁基；同一水平方向上，1#樁和2#樁軸力最大，其次是5#樁和6#樁，最小的是3#樁和4#樁，說明角樁和邊樁承擔(dān)大部分樁頂荷載，中心樁分擔(dān)的荷載比較小，堆載對(duì)中心樁軸力影響最小。

圖4 堆載作用下樁身軸力曲線

3.2.2樁側(cè)摩阻力

如圖5所示，給出了堆載作用下群樁樁身的樁側(cè)摩阻力曲線。由圖可知，不同樁呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，1#樁和2#樁的變化規(guī)律相同，在樁深0～17m范圍內(nèi)為負(fù)摩阻力，在深度8m處負(fù)摩阻力最大，最大值分別為-19.7kPa和-17.7kPa，隨著樁深的增大，樁側(cè)摩阻力由負(fù)到正過渡，且隨著深度的增加，逐漸增大，最大值分別為69.1kPa和59.8kPa；3#樁和4#樁的變化規(guī)律相同，即沿著樁深增加，樁體的正摩阻力增大，且在土層分界面產(chǎn)生一定大小的波動(dòng)，最終在樁端附近達(dá)到最大值，最大值分別為57.1kPa和50.6kPa；5#樁和6#樁的變化規(guī)律相同，沿樁深產(chǎn)生正摩阻力，且沿著樁深增加，樁體的正摩阻力逐漸增大，最大值分別為61.3kPa和56.6kPa。綜上可知，僅從側(cè)摩阻力方面來說，同一豎列上，靠近堆載的1#樁和2#樁所受影響最大，其次是5#樁和6#樁，最小的是3#樁和4#樁；同一水平行方向上，堆載對(duì)邊緣樁的影響大于中間行的樁基，說明堆載對(duì)角樁側(cè)影響最大，邊樁次之，對(duì)中心樁影響最小。

圖5 堆載作用下樁側(cè)摩阻力曲線

3.2.3樁身沉降

如圖6所示，給出了堆載作用下群樁樁身的沉降曲線。由圖可知，不同樁均呈現(xiàn)出樁頂沉降值最大，隨著深度的增大，樁底沉降最小。對(duì)于1#樁和2#樁，樁頂沉降分別為-57.6mm和-57.8mm，樁底沉降分別為-48.9mm和-50.6mm；對(duì)于3#樁和4#樁，樁頂沉降分別為-56.9mm和-57.0mm，樁底沉降分別為-50.6mm和-52.6mm；對(duì)于5#樁和6#樁，樁頂沉降分別為-56.1mm和-56.2mm，樁底沉降分別為-48.9mm和-50.6mm。即靠近堆載的樁頂沉降最大，遠(yuǎn)離堆載的樁頂沉降最小。此外，沿埋深方向1#樁、3#樁和5#樁的整體沉降速率要大于對(duì)應(yīng)的2#樁、4#樁和6#樁的沉降速率。綜上可知，僅從樁身沉降方面來說，單側(cè)堆載使得靠近堆載側(cè)的樁頂豎向沉降最大，遠(yuǎn)離堆載側(cè)的樁頂豎向沉降最小，且堆載對(duì)角樁的整體影響最大，邊樁次之，中心樁最小。

圖6 堆載作用下樁身沉降曲線

4 結(jié)論

主要以某地區(qū)地表堆載臨近橋梁群樁樁基為例，采用有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值模型，重點(diǎn)分析了堆載對(duì)樁體的位移、軸力和樁側(cè)摩阻力的影響，得到以下結(jié)論：

(1)堆載作用下，使得周圍土體發(fā)生明顯的沉降，加之樁土之間的相互作用，會(huì)對(duì)樁基的安全產(chǎn)生不利影響。

(2)1#樁、3#樁和5#樁的整體軸力要分別對(duì)應(yīng)大于2#樁、4#樁和6#樁的軸力，即堆載對(duì)承臺(tái)邊緣一排樁基的影響要大于中間的一排樁基；同一水平方向上，1#樁和2#樁軸力最大，其次是5#樁和6#樁，最小的是3#樁和4#樁，說明角樁和邊樁承擔(dān)大部分樁頂荷載，中心樁分擔(dān)的荷載比較小，堆載對(duì)中心樁軸力影響最小。

(3)僅從側(cè)摩阻力方面來說，同一豎列上，靠近堆載的1#樁和2#樁所受影響最大，其次是5#樁和6#樁，最小的是3#樁和4#樁；同一水平行方向上，堆載對(duì)邊緣樁的影響大于中間行的樁基，說明堆載對(duì)角樁側(cè)影響最大，邊樁次之，對(duì)中心樁影響最小。

(4)僅從樁身沉降方面來說，單側(cè)堆載使得靠近堆載側(cè)的樁頂豎向沉降最大，遠(yuǎn)離堆載側(cè)的樁頂豎向沉降最小，且堆載對(duì)角樁的整體影響最大，邊樁次之，中心樁最小。