堆載作用對橋梁樁基位移的控制技術(shù)研究

葛志平 李中浩 奚曉廣 潘 寧 許四法

(1.騰達(dá)建設(shè)集團股份有限公司，上海 200122； 2.浙江工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所，浙江 杭州 310023)

隨著城市化建設(shè)的推進，人們對出行的要求也不斷提高，橋梁建設(shè)是加速交通發(fā)展至關(guān)重要的一環(huán)。由于土地資源日趨緊缺，在既有橋梁周圍會不可避免的出現(xiàn)堆載，從而導(dǎo)致對樁基的變形。臺州灣循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)廣泛分布吹填土，該區(qū)域吹填土形成時間短，固結(jié)程度差，承載力極低，屬于欠固結(jié)、高壓縮性土。國內(nèi)外的學(xué)術(shù)界及工程界對吹填土的性質(zhì)有了較廣泛的認(rèn)識，但目前對吹填土區(qū)橋梁樁基水平位移控制研究較少，缺乏對工程的直接指導(dǎo)作用。由于大范圍堆載勢必會引起橋梁樁基水平向變形等問題，因此進行吹填土區(qū)域橋梁樁基水平位移的控制技術(shù)項目的研究很有必要，同時也有利于提高企業(yè)的核心技術(shù)競爭力。

本文在分析影響樁基水平位移因素的基礎(chǔ)上，采用理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測和有限元分析方法，研究周圍環(huán)境對樁基水平位移的影響程度以及控制措施。本文分析橋臺背土壓力隨填土高度變化的分布規(guī)律，提出作用在橋臺背土壓力的計算方法；采用有限元分析高壓旋噴樁樁長、布置形式和處理范圍等因素對樁基水平位移的影響，建立橋臺背填土高度與樁基水平位移之間的p—y曲線；采用有限元分析堆載的高度與離樁基的距離對樁基的影響。

1 工程概況

臺州灣循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)范圍北起臨海市紅腳巖南端，南至溫嶺市松門鎮(zhèn)北端，東抵沿海，西至臺東大道，總面積約562 km2。施工環(huán)境如圖1所示。

本工程依托于東部新區(qū)的月湖南路跨長浦河橋，長浦河位于甲南大道以南，長浦大道以北，規(guī)劃河寬60 m，通航等級為準(zhǔn)七級航道。月湖南路跨越長浦河設(shè)置本橋梁，橋梁孔跨布置5×16 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋，樁基均采用φ1 200鉆孔灌注樁，鉆長82 m與83 m。

該區(qū)域表層廣泛分布吹填土，其下存在深厚淤泥質(zhì)土：主要為①-3吹填土(厚度約為1 m)，③-1淤泥質(zhì)土(厚度約為13 m)，③-2淤泥質(zhì)土(厚度約為15 m)，③-3黏土(厚度約為3 m)，④-1粉質(zhì)黏土(厚度約為8 m)。

圍護結(jié)構(gòu)深度所涉及土層大致分為：①雜填土主要由黏性土混碎塊石組成，深度范圍為0 m～2.1 m；②砂質(zhì)粉土，深度范圍為2.1 m～5.7 m；③砂質(zhì)粉土夾粉砂,深度范圍為5.7 m～12.3 m；④粉砂，深度范圍為12.3 m～19.6 m；⑤砂質(zhì)粉土夾淤泥粉質(zhì)黏土,深度范圍為19.6 m～25.2 m。土層物理參數(shù)見表1。

表1 土體物理參數(shù)

該堆載工程施工方案為單側(cè)堆載，通過運用MIDAS GTS模擬堆載對橋梁樁基影響，并建立三維數(shù)值分析模型，橋墩的側(cè)面為堆載土體，模型尺寸為100 m×80 m×120 m。

2 堆載作用對橋梁樁基的影響

在橋梁樁基附近進行堆載，會對周圍的環(huán)境造成一定程度的影響。由于堆載作用，橋梁樁基周圍的土體的土壓力會發(fā)生改變，從而對橋梁樁基產(chǎn)生不同程度的位移變形。為明確橋堆載作用對橋梁樁基水平位移的變形規(guī)律，本章通過數(shù)值模擬方法對其進行研究，并對計算結(jié)果對比分析。

2.1 三維模型的建立

幾何模型X軸垂直于堆載在區(qū)域邊界，Y軸沿大橋走向，Z軸垂直于地面向上。左側(cè)為堆載，層數(shù)為1層～4層不等，距離橋頭樁基為5 m～30 m不等。將現(xiàn)場模型簡化為堆載對橋梁橋頭樁基的水平位移作用，承臺Y方向?qū)挾葹?0 m，X方向長度為20 m，承臺高度為3 m。計算模型及其網(wǎng)格劃分如圖2,圖3所示。

2.2 邊界條件

對模型的底部施加X,Y,Z三個方向的約束，對模型四周施加法向約束，而模型頂部為自由面，不設(shè)置任何約束，對橋樁基頂部施加三個方向的旋轉(zhuǎn)約束。樁基礎(chǔ)與承臺設(shè)為剛性連接。模型的土層選用MC構(gòu)模型，樁基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁和高壓旋噴樁，運用MIDAS GTS單元結(jié)構(gòu)中的梁單元進行定義。

馬鈴薯適合砂壤土種植，深耕可使土壤疏松，透氣性好，并可提高土壤的蓄水、保肥和抗旱能力，改善土壤的物理性狀，為馬鈴薯的根系充分發(fā)育和薯塊膨大創(chuàng)造良好的條件。馬鈴薯的須根穿透力差，土壤疏松有利于根系的生長發(fā)育，根系在土壤中發(fā)育得愈好，植株生長勢愈強，產(chǎn)量愈高，特別是對前期生長比較緩慢的品種尤為重要。

2.3 計算步驟

1)初始地應(yīng)力計算。對計算區(qū)域內(nèi)的土體進行網(wǎng)格劃分，對各層土質(zhì)采用MMC模型。首先模擬的是天然條件下的初始地應(yīng)力，然后選擇位移清零來忽略初始土體位移場，以確保后續(xù)計算的準(zhǔn)確性。

2)樁基和圍護結(jié)構(gòu)施工計算。首先進行圍護結(jié)構(gòu)的模擬，在土中模擬鉆孔灌注樁的施工，設(shè)置樁土之間的接觸系數(shù)確保與實際相符。之后將樁基固定到承臺上，設(shè)置為固定約束。然后在灌注樁周圍模擬旋噴樁的施工，旋噴樁與承臺也是固定約束。

3)進行堆載。分四個階段進行堆載，每一個施工階段進行一層的素填土堆載，總計為四層。

2.4 計算結(jié)果分析

通過利用軟件MIDAS GTS對不同堆載條件、不同土層參數(shù)和不同高壓旋噴樁數(shù)量等分別對橋梁樁基水平位移的變化規(guī)律進行詳細(xì)的分析。如圖4～圖9是不同堆載距離對橋梁樁基的數(shù)值模擬結(jié)果。

從圖10中可以看出，前排樁體最大位移分別為21 mm,19.1 mm,18.2 mm。由此得出，隨著堆載與橋梁樁基距離的增加，堆載對橋樁的影響逐漸變小，樁身最大位移也呈下降趨勢。

3 堆載作用下高壓旋噴樁對橋樁基變形影響

通過上文可知在堆載作用的影響下，臨近的樁基水平位移變形會產(chǎn)生較大的變化，而對在橋樁基周圍進行高壓旋噴樁的施工處理會在一定程度上減小軟土地基變形。本節(jié)主要考慮在相同堆載條件下，通過改變高壓旋噴樁的數(shù)量、深度來模擬臨近大面積堆載工程對橋梁樁基變形與內(nèi)力的影響，分析其變化規(guī)律。

3.1 高壓旋噴樁長度對樁基位移影響

通過利用軟件MIDAS GTS對高壓旋噴樁長度對堆載鄰近樁基的水平位移的變化規(guī)律進行詳細(xì)的分析。圖11是不同旋噴樁長度對橋梁樁基的數(shù)值模擬結(jié)果。

從圖11中可以看出，橋梁樁體最大位移分別為4.63 mm,4.32 mm,3.92 mm和3.57 mm。堆載對橋梁樁基的影響隨著高壓旋噴樁深度的增大而逐漸減小，旋噴樁加固越深，樁身最大位移越小。由此可得，適當(dāng)增加高壓旋噴樁的長度來減少堆載對橋樁基水平位移的影響。

3.2 高壓旋噴樁數(shù)量對樁基位移影響

通過利用軟件MIDAS GTS模擬在不同數(shù)量高旋噴樁條件下，橋梁樁基的位移變化。

從圖12中可以看出，橋梁樁體最大位移分別為4.63 mm,3.95 mm,3.46 mm。隨著高壓旋噴樁數(shù)量的增加，樁身的最大水平側(cè)移也越來越小，堆載對樁的影響逐漸減小。由此可得，適當(dāng)增加高壓旋噴樁的數(shù)量來減少堆載對橋樁基水平位移的影響。

4 堆載作用下高壓旋噴樁對橋樁基變形影響

通過利用軟件MIDAS GTS對橋臺背填土高度對堆載鄰近樁基的水平位移、樁身軸力和樁身彎矩的變化規(guī)律進行詳細(xì)的分析(其中樁身的最大位移、最大彎矩和最大軸力隨各參數(shù)改變的趨勢圖只考慮前排樁身)。圖13，圖14是不同填土高度對橋梁樁基的數(shù)值模擬結(jié)果。

從圖13，圖14中可以看出，橋梁樁體最大位移分別為25.5 mm,30.6 mm。隨著填土高度的增加，樁身的最大水平側(cè)移也越來越大，橋樁基的土壓力也呈上升趨勢。

5 結(jié)語

本文首先確立堆載工程對橋梁樁基的影響研究方向，對前人關(guān)于深厚軟土地區(qū)大面積堆載工程對臨近樁基變形影響的成果進行總結(jié)。以臺州灣沿海某橋梁工程為例，進行數(shù)值模擬以及理論計算研究，探究堆載對橋樁基位移的影響。得到以下研究結(jié)果：1)在軟土地基上進行大面積堆載工程施工會對橋梁樁基造成一定程度上的變形影響。堆載對樁基變形作用隨著堆載距離的增加而減少，因此，可以適當(dāng)增加堆載離橋梁的距離，以此減少堆載工程對橋樁的影響。 2)為減小堆載對橋梁工程的影響，確保在堆載施工過程中橋梁的安全運行，對橋梁樁基周圍進行高壓旋噴樁的施工。經(jīng)過有限元模擬得出，適當(dāng)增加高壓旋噴樁的長度與數(shù)量，可以有效減少橋樁的位移變形。3)探究了橋樁背部填土深度對橋樁基的影響。通過軟件模擬得出，橋樁背部填土厚度越大，土壓力越大，土層變形也越大，對橋梁樁基的影響增加。