鋼棧橋超長樁基沉樁力學機理研究

摘要：為研究鋼棧橋超長樁基沉樁力學機理，文章基于有限元方法，利用ABAQUS軟件建立樁-土模型，提出超長樁基沉樁的三種方法，并針對不同樁徑下樁體受力最大Mises應力以及豎向應力進行分析，提出不同情況下鋼棧橋超長樁基樁身的力學規律。主要得到以下結論：（1）鋼棧橋超長樁基沉樁可采用“釣魚法”、浮吊法以及打樁船沉樁法；（2）隨著沉樁深度的不斷增加，Mises最大應力也在不斷增大，對于超長樁基礎而言，隨著沉樁深度的增加，其傳遞荷載的效率不斷降低，因此在實際沉樁過程中要對其進行定量計算；（3）當沉樁深度恒定時，隨著樁徑的增大，其應力值不斷減小，呈現負相關的趨勢；（4）當樁入土深度恒定時，隨著樁徑的增大，其豎向應力值不斷減小，呈現負相關性。

關鍵詞：鋼棧橋；超長樁基；有限元；樁-土模型

中圖分類號：U445.55+1 A 27 097 3

0 引言

橋梁工程具有造價高、工程規模大、面臨地質環境復雜等特點［1-2］。橋梁工程建設過程通常需采用施工速度快、造價低的棧橋作為其施工臨時結構，但是目前對棧橋的研究還不夠充分，而鋼棧橋超長樁基又是橋梁工程中不可缺少的部分，因此研究鋼棧橋超長樁基沉樁力學機理迫在眉睫。

國內外研究學者針對超長樁基力學機理進行了大量研究。Mabsout等［3］采用有限元法對打樁問題進行研究，采用修正的拉格朗日法對土體大變形以及樁-土作用進行定量計算。孫強［4-5］對樁動力荷載下的力學響應機制開展相應的研究，發現樁側負摩阻力、樁尺寸、樁-土作用等參數會對基樁動力穩定性產生影響，并提出相關方案進行解決。袁榛等［6］以浙江特大斜拉橋工程為研究對象，通過Midas GTS有限元軟件對超長樁基豎向荷載下樁頂沉降曲線進行分析，得出影響超長樁基的相關因素。在此基礎上，郭中華等［7］對海上淤泥區斜拉橋開展相應研究，提出基于自平衡法承載力試驗法的超長樁基力學特性。焦濤等［8］依據相似理論制作超長樁基礎模型，研究不同地震波下超長樁基的動力響應特征。趙濤［9］建立棧橋施工中整體仿真模型，將數值模擬與實際結果進行對比，發現兩者實際位移相互吻合，證明仿真模型的正確性。陳大偉等［10］采用ANSYS有限元軟件對棧橋結構進行分析，為同類型棧橋設計提供有力參考。

然而上述研究主要集中于鋼棧橋、超長樁基、樁-土之間的力學機理問題，較少涉及鋼棧橋超長樁基沉樁過程中樁身的力學機制問題，因此本文在前人對鋼棧橋超長樁基研究的基礎上，進一步考慮超長樁基沉樁過程中自身的力學響應機制，利用ABAQUS有限元軟件對鋼棧橋超長樁基沉樁過程中的樁體受力進行分析，為今后鋼棧橋超長樁基的建設施工提供相應依據。

1 工程背景及設計

1.1 工程概況

本文工點依托于某地區實際橋梁工程，該位置屬于平原地貌，橋梁全線長15 km，采用三塔斜拉橋的方式進行越江。為了使主橋施工便利，需要修建相應的臨時鋼棧橋。鋼棧橋設計使用年限依據相應規范定為5年。

1.2 鋼棧橋結構設計

超長樁基鋼棧橋的結構設計主要包含以下五個方面：（1）棧橋的平面布置；（2）棧橋的立面布置；（3）棧橋的橫剖面布置；（4）橋臺的設計；（5）附屬結構的設計。圖1為鋼棧橋結構設計的具體流程。

1.3 超長樁基沉樁方法

鋼棧橋施工中一般采用“釣魚法”、浮吊法對超長樁基進行沉樁，在鋼棧橋部分區域可以參用振動錘沉放，用機械設備將鋼管樁吊至設計點位，利用鋼管樁自重進行沉樁，當其他條件滿足相應規范要求后可以采用振動錘振動錘擊。但要注意振動時間，振動時間的長短決定樁是否下沉至合理位置。下頁圖2～3為振動錘沉樁示意圖以及相應施工工藝流程。

對于跨江、跨海橋梁工程的棧橋施工，宜采用打樁船沉樁，但在沉樁前，應充分了解打樁水域的工程地質背景，采用GPS衛星信號對其進行定位。沉樁過程中需對樁偏移問題進行監測，并進行實時動態調整以保證沉樁質量，圖4為打樁船沉樁施工過程。

2 超長樁基沉樁有限元模型的建立

本節主要考慮超長樁基沉樁過程力學響應特征，基于ABAQUS有限元數值模擬軟件建立相關模型。由于樁-土作用力學機制相對復雜，簡單建立樁與土之間的模型難以滿足實際要求，因此采用位移貫入法進行沉樁計算。ABAQUS中樁受力的基本假定為：

（1）不考慮固結排水以及土塞現象。

（2）模型中考慮土體自重變形（沉樁前）。

（3）鋼管樁本構關系為線彈性模型。

（4）土體采用摩爾庫倫本構模型。

（5）設置樁尖角度。

2.1 細觀參數標定

由于ABAQUS的數值模擬軟件并未給出細觀力學參數與宏觀力學參數之間的定量關系表達式，因此本文根據前人的經驗總結，采用試錯法的方式對其細觀參數進行標定。表1為土的參數標定結果。

對于樁，本次橋梁工程選用鋼管樁，其長度為50 m、直徑為1 000 mm、厚度為12 mm、密度為8 250 kg/m3。表2為鋼管樁具體參數取值。

2.2 三維模型的建立

本文研究以實際橋梁工程的棧橋鋼管樁為基礎，建立簡化的樁土模型（見圖6）。

3 基于有限元的樁體沉樁過程受力分析

3.1 Mises應力

通過ABAQUS有限元軟件對不同沉入深度的樁進行模擬。圖7為不同沉樁深度條件下，樁身最大Mises應力曲線圖。

由圖7可知，隨著沉樁深度的不斷增加，Mises應力也在不斷增大。當樁尖與土體進行接觸時，應力僅為4.2 MPa，當樁入土深度為20 m時，應力增至98.35 MPa。對于超長樁基礎而言，隨著入土深度的增加，其傳遞荷載的效率也就越低，因此在實際沉樁過程中要對其進行定量計算。

3.2 不同樁徑下樁體受力分析

不同樁徑下的超長鋼管樁樁體應力變化情況如表3、圖8所示。

根據表3和圖8可知，隨著沉樁深度的增加，其Mises應力不斷增大，當沉樁深度恒定時，隨著樁徑的增大，其應力值不斷減小，呈現負相關性。當沉樁深度為20 m，樁徑從600 mm擴大到1 150 mm時，其應力減小46.43％。由此可知，鋼棧橋超長樁基沉樁過程若遇到整體受力情況不利時，可以通過增加樁徑的方式，使其應力減小，更有利于工程安全。

圖9為不同樁徑條件下，樁沉入土體不同深度時豎向應力變化曲線。

根據圖9可知，隨著沉樁深度的增加，其豎向應力不斷增大，當沉樁深度恒定時，隨著樁徑的增大，其應力值不斷減小，呈現負相關性。當沉樁深度為20 m時，600 mm樁徑的樁豎向應力最大為93.45 MPa，1 150 mm樁徑的樁豎向應力最小為47.25 MPa，其應力減小46.43％。

3.3 不同壁厚下樁體受力分析

通過采用不同壁厚的超長鋼管樁分析樁體的應力變化如圖10所示。

根據圖10可知，隨著沉樁深度的增加，其Mises應力不斷增大，當入土深度恒定時，隨著壁厚的增大，其應力值不斷減小，呈現負相關性。因此壁厚越薄，對工程施工越不利。

4 結語

本文通過對鋼棧橋超長樁基沉樁力學機理進行研究，采用ABAQUS有限元數值模擬軟件，提出超長樁基沉樁的三種方法，并針對不同樁徑下樁體受力過程中的最大Mises應力以及豎向應力進行分析，提出不同情況下鋼棧橋超長樁基樁身的力學規律，為今后橋梁工程施工提供相應依據。

本文得到如下主要結論：

（1）鋼棧橋超長樁基沉樁可以采用“釣魚法”、浮吊法以及打樁船沉樁法。

（2）隨著沉樁深度的不斷增加，Mises最大應力也在不斷增大。對于超長樁基礎而言，隨著沉樁深度的增加，其傳遞荷載的效率降低，因此在實際沉樁過程中要對其進行定量計算。

（3）當沉樁深度恒定時，隨著樁徑的增大，其應力值不斷減小，呈現負相關的趨勢。在實際橋梁工作中鋼棧橋超長樁基沉樁過程若遇到整體受力情況不利時，可以通過增加樁徑的方式，使其應力減小，更有利于工程安全。

（4）當沉樁深度恒定時，隨著樁徑的增大，其應力值不斷減小，呈現負相關性。當入土深度恒定時，隨著壁厚的增大，其應力值不斷減小。

參考文獻

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收稿日期：2022-12-10