橋梁群樁基礎(chǔ)計(jì)算方法研究

余舜

摘 要：山區(qū)道路修建過程中，橋梁樁基施工尤為重要。因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)受外力影響較大，主要受到樁頂轉(zhuǎn)遞的豎向荷載、斜坡對(duì)樁基的剪切作用。在穩(wěn)定性不足地段還應(yīng)設(shè)置群樁基礎(chǔ)。因此文章針對(duì)群樁基礎(chǔ)進(jìn)行了以下內(nèi)容分析：通過實(shí)際工程對(duì)群樁基礎(chǔ)的理論計(jì)算結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，并對(duì)兩種方法的結(jié)果進(jìn)行了比較，計(jì)算結(jié)果表明：理論計(jì)算結(jié)果較為保守。因此文章對(duì)該課題的研究提供了理論分析和參考。

關(guān)鍵詞：橋梁樁基;豎向荷載;群樁基礎(chǔ);數(shù)值模擬

0 引言

十九世紀(jì)90年代，我國(guó)開始了對(duì)橋梁樁基進(jìn)行研究，通過相關(guān)學(xué)者的分析，主要取得了以下方面的成果。劉金礪[1]通過群樁試驗(yàn)表明了豎向力作用下的群樁效應(yīng)，對(duì)群樁設(shè)計(jì)中的問題進(jìn)行了分析。陳鵬[2]通過對(duì)群樁效應(yīng)進(jìn)行模擬，分析了不同工況下單樁基礎(chǔ)和群樁基礎(chǔ)的工作狀態(tài)，以及樁側(cè)阻力和樁端阻力的群樁效應(yīng)。我國(guó)相關(guān)學(xué)者通過不同的方法對(duì)橋梁的樁基進(jìn)行了分析研究，但是由于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性不足，斜坡對(duì)樁基的影響程度不同，相關(guān)分析并不完善，理論并未形成體系[3]。因此該課題仍需要進(jìn)一步分析，文章具有一定的意義。

1 案例分析

1.1 工程概況

文章所依托工程為某地區(qū)的高速公路橋梁工程。樁基位置的斜坡主要為粉砂質(zhì)泥巖和低液限粘土。場(chǎng)區(qū)的基巖處于強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，該處斜坡高度為25 m，坡長(zhǎng)40 m，坡角為30°。坡體前緣為群樁基礎(chǔ)，布置形式為3×3對(duì)稱布置。樁長(zhǎng)為20 m，樁基截面尺寸為1.0 m×1.0 m。通過對(duì)地面勘察表明：坡體土的粘聚力為20 kPa，內(nèi)摩擦角為32°，土的重度為18.2 kN/m3，基樁的抗彎剛度取值為2.0×106 kN·m2，工程概況圖如圖1所示。

2 數(shù)值模擬分析

通過對(duì)上圖進(jìn)行分析來建立數(shù)值模型，沿道路方向取值為10 m，上邊界為自由邊界，底部為固定邊界，對(duì)兩側(cè)的水平位移進(jìn)行限制。計(jì)算參數(shù)如表1所示。模型共65 000個(gè)單元，50 000個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.1 樁土變形分析

邊坡最大位移出現(xiàn)在滑體中部位置，坡體前端設(shè)有群樁基礎(chǔ)，對(duì)坡體的滑動(dòng)起到了約束[4]。通過模型分析可以看出：滑面處的剪應(yīng)力數(shù)值較大，從中部到樁基作用位置剪應(yīng)力值表現(xiàn)為逐漸減小的趨勢(shì)。邊坡的塑性區(qū)存在滑面和坡面位置，且樁基位置的塑性區(qū)域未貫通[5]。說明樁基對(duì)土體達(dá)到了預(yù)期加固效果。通過對(duì)樁基的位移分析可知：后排樁位移變化量>中排樁位移變化量>前排樁位移變化量[6]。

2.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算分析

2.2.1 樁頂無荷載

當(dāng)樁頂沒有荷載作用時(shí)，三排樁的彎矩變化如下所示：后排樁彎矩>中排樁彎矩>前排樁彎矩，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可以看出樁基在長(zhǎng)為4 m～9 m和12 m～14 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了反彎現(xiàn)象，且數(shù)據(jù)的極值點(diǎn)在樁長(zhǎng)為6 m和13 m位置處。樁基剪力變化規(guī)律為：后排樁剪力>中排樁剪力>前排樁剪力，且樁基在長(zhǎng)為14 m～18 m范圍內(nèi)出現(xiàn)反彎現(xiàn)象。

2.2.2 承臺(tái)頂面有荷載

樁頂承臺(tái)荷載設(shè)置：水平荷載：1 500 kN，水平向右;樁頂彎矩：順時(shí)針方向，大小為10 000 kN·m;豎向荷載：垂直向下，大小為60 000 kN。通過以上條件設(shè)置，對(duì)樁基進(jìn)行數(shù)值模擬分析，來計(jì)算各排樁的彎矩和剪力，樁基荷載布置如圖2所示。

通過對(duì)樁基進(jìn)行模擬分析計(jì)算可知：樁頂施加荷載后，樁身的彎矩和剪力的數(shù)值變化較小，但樁頂處的變化較大。樁基在長(zhǎng)為4 m～9 m和12 m～14 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了彎矩反彎現(xiàn)象，且數(shù)據(jù)的極值點(diǎn)在樁長(zhǎng)為6 m和13 m位置處。樁基剪力變化規(guī)律為：相比于樁頂無荷載作用時(shí)，三樁的剪力均增大，且樁基在長(zhǎng)為14 m～18 m范圍內(nèi)出現(xiàn)反彎現(xiàn)象，滑動(dòng)面附近出現(xiàn)最大剪力值。

2.2.3 對(duì)比分析

文章設(shè)置兩種工況：一種為樁頂無荷載，一種為樁頂有荷載。分別對(duì)兩種工況下的樁身彎矩、剪力、位移、轉(zhuǎn)角以及軸力進(jìn)行分析，得到以下結(jié)果：

彎矩變化：樁頂施加荷載后，彎矩有所增加，其增加值為7.4×103 kN·m，隨著樁身增加，兩種工況下的彎矩差值越來越小，樁長(zhǎng)為6 m時(shí)，彎矩差為零。當(dāng)樁長(zhǎng)范圍為11 m～16 m時(shí)，樁頂有荷載作用的彎矩值大于無荷載作用的彎矩值，但二者差值較小，可忽略。

剪力變化：樁頂施加荷載后，剪力有所降低，其減少值為2.26×103 kN，隨著樁身增加，兩種工況下的彎矩差值越來越小，樁長(zhǎng)為10 m時(shí)，彎矩差為零。當(dāng)樁長(zhǎng)范圍為14 m～18 m時(shí)，樁頂有荷載作用的剪力值大于無荷載作用的剪力值。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)橋梁群樁基礎(chǔ)進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：

文章依據(jù)實(shí)際工程對(duì)橋梁群樁基礎(chǔ)進(jìn)行了模擬分析，分別設(shè)置兩種工況，一種為樁頂無荷載情況，一種為樁頂有荷載。通過對(duì)兩種工況進(jìn)行分析可知，二者的群樁基礎(chǔ)變化規(guī)律形似，但數(shù)值存在偏差。樁頂荷載作用下，在一定樁長(zhǎng)范圍內(nèi)，對(duì)樁身的內(nèi)力和位移應(yīng)顯著影響;隨著樁長(zhǎng)的增加，影響程度越來越小，最終對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響可忽略不計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉金礪.滑坡內(nèi)橋梁群樁基礎(chǔ)和抗滑樁耦合作用機(jī)制的研究[D].西南交通大學(xué)，2019.

[2]陳鵬.淺埋盾構(gòu)隧道近接樁基礎(chǔ)滲流應(yīng)力耦合安全性分析[J].公路工程，2019（4）：250-257.

[3]王旭東，郝憲武，吳文濤.黃土地區(qū)斜陡坡對(duì)群樁基礎(chǔ)承載力的影響[J].沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019（4）：331-337.

[4]張陽(yáng)春，李澤生，潘勝林，等.山區(qū)橋梁嵌巖樁受力特性數(shù)值分析研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2019（8）：163-165.

[5]董亮，蘇永華，付蕾，等.地下水降低對(duì)高速鐵路橋梁群樁基礎(chǔ)的影響[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2019（4）：1-9.

[6]方愷，左元龍.不同濕陷性黃土深度下的橋梁樁基承載力分析[J].湖南交通科技，2019（2）：123-125+141.