深厚軟土地基堆載預(yù)壓對(duì)鄰近橋梁樁基影響分析

侯蘭新

(中鐵建大橋工程局集團(tuán)南方工程有限公司 廣東廣州 511455)

1 引言

在深厚軟土地基進(jìn)行橋梁施工時(shí)，因不良地質(zhì)情況引發(fā)的工程問題屢見不鮮[1-2]。因此，研究深厚軟土地區(qū)堆載預(yù)壓對(duì)鄰近橋梁樁基的影響及應(yīng)對(duì)處理措施具有重要意義。

在深厚軟土段樁基附近進(jìn)行不均勻堆載時(shí)，其受力行為較為復(fù)雜[3]。在多種應(yīng)力耦合作用下，樁基內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力和變形，對(duì)樁基的正常使用造成較大安全隱患[4-5]。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[6-7]主要采用數(shù)值模擬、理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了大量研究。聶如松等[8]研究結(jié)果表明，ADINA可以較好地模擬堆載預(yù)壓對(duì)鄰近橋樁的影響；馮忠居等[9]通過Marc有限元軟件分析長(zhǎng)短樁軟基處理對(duì)堆載鄰近樁基的影響，并根據(jù)模擬結(jié)果提出相應(yīng)的工程施工建議；宋修廣[10]等基于Flamant解建立了堆載土對(duì)樁體的水平附加應(yīng)力計(jì)算公式；竺明星[11]等通過深厚軟土地區(qū)堆載作用下鄰近單排、多排基樁的水平附加應(yīng)力進(jìn)行理論計(jì)算和推導(dǎo)，得到了被動(dòng)樁的傳遞矩陣解，并驗(yàn)證了結(jié)果的正確性和可靠性；劉志明[12]利用堆載法對(duì)橋墩進(jìn)行糾偏，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，堆載預(yù)壓法可以減少樁身偏移，是一種科學(xué)有效的糾偏手段。

文中以廣州市南沙開發(fā)區(qū)明珠灣大橋工程為例，采用數(shù)值模擬、理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)三者相結(jié)合的方法研究堆載預(yù)壓對(duì)鄰近樁基的影響，并根據(jù)實(shí)際工程情況提出施工注意事項(xiàng)和施工措施，經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證，該方法可較好地指導(dǎo)工程安全施工。

2 工程概況

明珠灣大橋位于廣州市南沙開發(fā)區(qū)，地處珠江口，全長(zhǎng)約9.1 km，雙向八車道，規(guī)劃寬度60 m。跨越龍穴南水道，水域?qū)挾? 300 m。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，勘察區(qū)內(nèi)覆蓋土層主要以海陸交互相及河流相沖積層為主，巖性主要為淤泥質(zhì)土、黏土、粉質(zhì)黏土、砂土等。其中引橋段樁基上層土主要為淤泥質(zhì)土，層厚在15～23 m之間。

為方便施工，需要沿樁基外圍修筑施工輔道，輔道寬度10 m，坡度為1∶1.5，輔道填筑于軟基之上。為了保證輔道安全，需對(duì)輔道路基范圍內(nèi)軟基進(jìn)行堆載預(yù)壓。堆載土相對(duì)明暗樁交界處的高差在0～4.5 m之間，堆載土與橋梁樁基距離較近。為了研究修筑輔道對(duì)鄰近樁基的不利影響，文章選取距離堆載土最近的4＃墩樁基進(jìn)行分析。4＃墩樁基距離堆載土約為0.9 m，堆載差異量約為3.6 m，見圖1。

圖1 4＃墩樁基原始堆載差異量施工示意(單位:m)

3 理論分析計(jì)算

3.1 樁基基本參數(shù)

首先對(duì)3.6 m差異量堆載條件下的4＃墩樁基進(jìn)行計(jì)算。4＃墩下部為2根直徑1.8 m、樁長(zhǎng)58 m的樁基。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及相關(guān)勘察報(bào)告確定樁基基本參數(shù)見表1，土層相關(guān)參數(shù)見表2。

表1 4＃墩樁基基本參數(shù)

表24 ＃墩樁基各土層基本力學(xué)參數(shù)

3.2 樁基最大水平位移及裂縫

(1)附加應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)土力學(xué)原理，可以把圖1堆載土看成兩側(cè)為三角形和中間為矩形分布垂直荷載作用進(jìn)行附加應(yīng)力計(jì)算。坐標(biāo)原點(diǎn)為圖1左側(cè)預(yù)壓土的坡腳處。荷載強(qiáng)度最大值為pt，z為土層厚度，深度方向每5 m取一個(gè)計(jì)算點(diǎn)。按照式(1)計(jì)算兩側(cè)三角區(qū)域荷載的附加應(yīng)力:

式中:σz為附加應(yīng)力；m為荷載面長(zhǎng)邊和短邊寬度之比；n為土層厚度和荷載面短邊寬度之比。

在均布線性荷載作用下，土中任一點(diǎn)的附加應(yīng)力由弗拉曼公式推得，即:

式中:p為豎向線荷載。

對(duì)于均布條形荷載，土中任一點(diǎn)的附加應(yīng)力可由式(3)積分得到:

式中:x為任一點(diǎn)距均布條形荷載中點(diǎn)處的距離。

(2)沉降量計(jì)算

每層土沉降量可利用式(4)計(jì)算:

式中:ε為應(yīng)變；h為土層厚度；σzi為第i層土的附加應(yīng)力；Esi為第i層土壓縮模量。

利用表2中土層基本參數(shù)，計(jì)算樁基每5 m位置的附加應(yīng)力，再根據(jù)附加應(yīng)力聯(lián)立式(4)和式(5)得出樁頂處周邊土體的沉降量S＝5.5 mm。

(3)水平位移計(jì)算

根據(jù)土力學(xué)水平附加應(yīng)力計(jì)算方法可得出樁基各點(diǎn)水平方向應(yīng)力，并對(duì)不同點(diǎn)水平附加應(yīng)力進(jìn)行公式擬合，得到擬合后公式:

式中:q(x)為距樁身地表處任一處的水平附加應(yīng)力，kPa；x為距離地表的距離。

進(jìn)行樁基水平位移計(jì)算時(shí)，將樁基簡(jiǎn)化為懸臂梁進(jìn)行計(jì)算。為了保證計(jì)算結(jié)果偏于安全，假定懸臂梁固定端為軟土層與硬土層交界處，即地表以下22.3 m處。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)中分布荷載q(x)與剪應(yīng)力、彎矩、轉(zhuǎn)角和撓度(樁基礎(chǔ)水平位移)的關(guān)系，可以由分布荷載方程得到:

式中:V為剪力；M為彎矩；θ為轉(zhuǎn)角；f為撓度(樁身水平位移)。

由式(6)～式(10)得出樁基最大水平位移為31.3 mm，超過規(guī)范值規(guī)定的10 mm。

(4)樁身最大裂縫計(jì)算

考慮到樁身在附加應(yīng)力的作用下，沿樁身會(huì)產(chǎn)生彎矩，最大彎矩處即最大裂縫處。具體計(jì)算方法可按式(11)和式(12)計(jì)算鋼筋混凝土構(gòu)件的最大裂縫寬度:

各參數(shù)的具體含義可參照《混凝土結(jié)構(gòu)基本原理》，本文不再贅述。

由式(11)和式(12)得ωmax＝0.18 mm，最大裂縫未超過規(guī)范值0.2 mm。

4 有限元模擬分析

4.1 建立模型

首先要確定有限元模型尺寸。一般情況下，為減小邊界效應(yīng)對(duì)模型的影響，高度一般不小于1.5～2倍樁長(zhǎng)，長(zhǎng)度和寬度不小于10倍樁徑。由表1可知4＃墩樁基的樁長(zhǎng)和樁徑，并考慮堆載土寬度，最終確定該模型高度取100 m，長(zhǎng)度取75 m，寬度取50 m。

樁基和承臺(tái)混凝土采用彈性模型，圍巖和堆載土采用ABAQUS中的M-C(Mohr-Coulomb)模型，該模型適用于巖石和土壤等顆粒狀材料。網(wǎng)格劃分方法為sweep，為保證網(wǎng)格劃分的均勻性，采用中性軸法。樁基、承臺(tái)和土體的單元類型為減縮積分實(shí)體單元C3D8R。土體和樁基模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 土體與樁基模型網(wǎng)格劃分

4.2 土體和樁基材料參數(shù)

根據(jù)工程鉆孔柱狀圖確定土質(zhì)及層厚。各層巖土相關(guān)參數(shù)見表1和表2。

4.3 模型荷載、邊界條件及接觸

通過給土體、樁基、承臺(tái)和堆載土添加重力來模擬其自重效應(yīng)，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算承臺(tái)上部結(jié)構(gòu)的自重。在承臺(tái)上施加一均布荷載P，經(jīng)計(jì)算P＝648 kPa。為保守計(jì)算，承臺(tái)均布荷載模擬值P取700 kPa。用ABAQUS中的生死單元功能來控制堆載土重力的生效時(shí)機(jī)。樁基與土體之間采用面-面接觸，法向?yàn)椤癏ard”Contact，切向?yàn)椤癋riction”Coefficient，將樁基作為主面、土體作為從面。對(duì)模型左右和前后面施加x、y方向約束，對(duì)底面施加x、y、z三個(gè)方向約束。

4.4 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

進(jìn)行模型計(jì)算，得到初始地應(yīng)力如圖3所示。根據(jù)土層重度和土層厚度進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)下模型的正確性。土體具體參數(shù)見表2，計(jì)算公式:

通過計(jì)算得到土體底面重力為1.996×106N，與圖3中初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)下的底面重力一致。

圖3 初始地應(yīng)力平衡

4.5 計(jì)算結(jié)果及分析

通過“Creat XY Date”中的“ODB Field Output”命令選取樁頂?shù)摹癠nique Nodal”，用Edit XY Date提取數(shù)據(jù)，得到樁頂最大水平位移為27.2 mm，順橋向樁基最大位移為0.2 mm，樁基豎向位移為4.3 mm。由理論計(jì)算數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)可知，樁基沿順橋方向的偏移和沉降量均符合規(guī)范要求，但樁頂水平偏移較大，超過了《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)中的最大允許水平偏移值10 mm。

樁基每5 m劃分一個(gè)截面，將提取的彎矩值與計(jì)算值對(duì)比并繪制出圖形，如圖4所示。

圖4 4＃墩樁基計(jì)算彎矩與模擬彎矩對(duì)比

由圖4可知，模擬值和計(jì)算值最大差值在最大彎矩值處，二者相差約14.1%，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性。

5 施工建議及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

5.1 施工建議

通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)按照原始差異量進(jìn)行堆載，樁頂?shù)乃轿灰茖?huì)超出規(guī)范值。另外，雖然樁身最大裂縫寬度滿足規(guī)范，但也比較接近限值。經(jīng)綜合考慮，對(duì)原始堆載差異量進(jìn)行優(yōu)化，采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬對(duì)不同堆載差異量工況進(jìn)行計(jì)算，分析得出樁基優(yōu)化堆載差異量方法:對(duì)樁基范圍內(nèi)全斷面先進(jìn)行預(yù)壓2.7 m(見圖5)，再按照設(shè)計(jì)輔道范圍堆載預(yù)壓，其預(yù)壓差異量由原來的3.6 m變?yōu)?.9 m，可以有效減少樁基的水平位移。施工方案調(diào)整后對(duì)4＃墩樁基進(jìn)行理論計(jì)算和數(shù)值模擬，結(jié)果表明:理論計(jì)算和數(shù)值模擬樁基的最大水平位移分別為4.6 mm和4.2 mm，樁身最大裂縫寬度為0.02 mm。樁基的最大水平位移和樁身最大裂縫寬度均符合規(guī)范要求。同時(shí)，對(duì)堆載預(yù)壓施工提出以下建議:

圖5 4＃墩樁基優(yōu)化堆載差異量后施工示意(單位:m)

(1)對(duì)于樁基上層土質(zhì)較軟且含水量大的局部區(qū)域，需在軟基處理后再進(jìn)行堆載預(yù)壓。

(2)堆載土?xí)r，需同時(shí)在樁基兩側(cè)對(duì)稱堆載，且每層填土厚度不宜大于30 cm。壓實(shí)后，對(duì)堆載土的壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，并保證樁基兩側(cè)土體壓實(shí)度一致。

(3)當(dāng)臨時(shí)輔道設(shè)計(jì)預(yù)壓填土標(biāo)高大于樁基附近設(shè)計(jì)預(yù)壓填土標(biāo)高時(shí)，應(yīng)當(dāng)從靠近樁基一側(cè)均勻向外填土。

(4)計(jì)算和模擬結(jié)果的可靠性取決于地質(zhì)勘察報(bào)告和實(shí)際工程地質(zhì)的吻合度，地質(zhì)勘察報(bào)告和實(shí)際工程地質(zhì)情況的差異將會(huì)導(dǎo)致理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果產(chǎn)生偏差。因此在施工過程中必須加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，每施工一道工序，應(yīng)立即進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)并與施工前相比較，如發(fā)生較大偏移應(yīng)立即停止施工，可采用堆載反壓、開挖卸載、水平頂推和應(yīng)力釋放孔聯(lián)合糾偏等措施。

5.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

采用優(yōu)化堆載差異量的方案進(jìn)行堆載預(yù)壓施工，施工現(xiàn)場(chǎng)見圖6。同時(shí)，對(duì)4＃墩樁基進(jìn)行了為期120 d的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、理論計(jì)算值和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。

圖6 堆載預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng)施工

表3 4＃墩樁基理論計(jì)算、數(shù)值模擬和工程監(jiān)測(cè)值

由4＃墩樁基監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求；理論計(jì)算值、數(shù)值模擬與工程監(jiān)測(cè)值吻合良好，證明了該研究方法的正確性和可行性。

6 結(jié)論

文章以明珠灣大橋?yàn)楣こ瘫尘埃Y(jié)合有限元軟件ABAQUS建立了與實(shí)際工程吻合較好的有限元模型，將理論計(jì)算、數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論:

(1)有限元軟件ABAQUS可以較好地模擬軟土地基堆載對(duì)鄰近橋梁樁基偏移和樁身最大裂縫的計(jì)算。

(2)在深厚軟土地區(qū)進(jìn)行不均勻堆載時(shí)，雖然樁身最大裂縫滿足規(guī)范要求，但更容易產(chǎn)生較大水平位移。

(3)從安全和經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，在軟土地基進(jìn)行堆載預(yù)壓時(shí)，應(yīng)盡量按照本文建議進(jìn)行均勻堆載，以減少樁基的水平位移。