橋梁鉆孔灌注樁豎向承載力對比分析

儀孟斐

(山西交通控股集團(tuán)有限公司運(yùn)城南高速公路分公司 運(yùn)城市 044000)

0 引言

在特大橋施工過程中,為控制工后沉降,必須確保樁基礎(chǔ)具有足夠的承載力。在軟弱地基土層較厚的施工區(qū)域[1],鉆孔灌注樁基礎(chǔ)是比較常用的一種基礎(chǔ)形式。大型橋梁上部結(jié)構(gòu)自重大[2],對樁基礎(chǔ)所產(chǎn)生的豎向荷載也較大,對樁基礎(chǔ)豎向承載力的要求也隨之提高。鉆孔灌注樁基礎(chǔ)具有良好的適用性[3],但地下作業(yè)施工工序繁雜、尤其是大型橋梁的技術(shù)要求高、施工難度大,屬隱蔽工程質(zhì)量控制難度大,控制不當(dāng)很容易產(chǎn)生質(zhì)量問題。對樁基礎(chǔ)所處施工區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜、變化大的施工區(qū)域,必須做好詳細(xì)勘察,為樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供有力依據(jù)。為確保樁基礎(chǔ)承載力滿足設(shè)計(jì)要求,施工現(xiàn)場常采用靜載試驗(yàn)進(jìn)行檢測[4]。另外,利用有限元軟件建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析,可用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。文章以某高速公路特大橋鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工為研究背景,分別采用靜載試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析兩種方法對樁基礎(chǔ)豎向承載力進(jìn)行研究,將對比分析結(jié)果作為評(píng)價(jià)樁基礎(chǔ)豎向承載力的基本依據(jù)。

1 工程概況

某高速公路特大橋,設(shè)計(jì)全長為1150 m,其中主跨長度為640 m。采用雙向六車道設(shè)計(jì),橋面全寬為33 m,行車速度為100 km/h,按照公路-Ⅰ級(jí)荷載設(shè)計(jì)。橋梁采用雙塔雙索面五跨連續(xù)半漂浮斜拉橋形式,樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁,樁徑2.5 m,樁長為25～40 m。主橋11#墩樁基礎(chǔ)所處施工區(qū)域地質(zhì)情況較復(fù)雜,因此選擇主橋11#墩樁基礎(chǔ)作為研究對象,對樁基礎(chǔ)豎向承載力進(jìn)行研究。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,11#墩樁基礎(chǔ)所處施工區(qū)域地基土自上而下分別為粉質(zhì)黃土、粉質(zhì)黏土、粉土、密實(shí)砂土、基巖,各層地基土主要工程特性如下:

(2)粉質(zhì)黏土:呈灰黑色,硬塑性,層厚為5.2 m,主要以粘粒為主,層理清晰,土質(zhì)分布均勻。

(3)粉土:呈灰黑色,層厚為4.9 m,主要以粉粒為主,中密,土質(zhì)分布均勻。

(4)粉質(zhì)黏土:呈灰黑色,中密,層厚為6.8 m,主要以粘粒為主,層理清晰,土質(zhì)分布均勻。

(5)粗砂:呈黃綠色,層厚為4.9 m,主要以石英、長石為主,密實(shí),砂質(zhì)分布不均勻。

(6)細(xì)砂:呈灰黃色,主要以石英、長石為主,層厚為6.7 m,密實(shí),砂質(zhì)分布均勻。

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果,確定11#墩鉆孔灌注樁基礎(chǔ)樁長為38 m,樁徑為2.5 m。

2 單樁靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單樁靜載試驗(yàn)方案

根據(jù)11#墩樁基礎(chǔ)所處施工區(qū)域土層分布情況埋設(shè)鋼筋計(jì),測試斷面布置在各土層交界和距樁底50 cm處,當(dāng)層厚較厚時(shí),每隔5 m布置一個(gè)測試斷面。11#墩樁基礎(chǔ)共布置11個(gè)斷面,每個(gè)斷面對稱布置兩個(gè)鋼筋計(jì)。試驗(yàn)設(shè)備包括液壓千斤頂、百分表、千分表、液壓油泵、電子位移計(jì)等。11#墩單樁設(shè)計(jì)承載力為4635 kN,靜載試驗(yàn)最大試驗(yàn)荷載取值為10000 kN。千斤頂采用慢速維持加載法進(jìn)行分級(jí)加載,單級(jí)加載量為1000 kN,第一級(jí)加載量為兩倍。卸載分5級(jí),單級(jí)卸載量為2000 kN。樁體成型10 d后開展試驗(yàn),并在分級(jí)加載和卸載過程中進(jìn)行沉降觀測。

2.2 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1單樁豎向抗壓容許承載力

2.1 1型糖尿病 1型糖尿病是一種自身免疫性疾病，與遺傳、生活環(huán)境、腸道失調(diào)引起的免疫調(diào)節(jié)異常有關(guān)。早期對芬蘭兒童的縱向研究發(fā)現(xiàn)，與低風(fēng)險(xiǎn)、胰島自身抗體陰性的兒童相比，高風(fēng)險(xiǎn)、胰島自身抗體陽性的兒童在臨床疾病發(fā)展之前腸道細(xì)菌的多樣性就已經(jīng)發(fā)生改變[55-56]。美國的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，新發(fā)病例、高危和低危一級(jí)親屬與健康、不相關(guān)的受試者的細(xì)菌組成存在差異[57]，主要表現(xiàn)為瘤胃球菌屬、布勞特氏菌屬以及鏈球菌過多，韋榮氏球菌科和毛螺菌群失調(diào)。這些數(shù)據(jù)表明，腸道微生物種群多樣性減少和(或)代謝功能改變可能與1型糖尿病的進(jìn)展相關(guān)。

通過在施工現(xiàn)場開展靜載試驗(yàn),收集11#墩試樁檢測數(shù)據(jù),繪制荷載Q-沉降s曲線如圖1所示。

圖1 試樁荷載Q-沉降s曲線

分析荷載Q-沉降s曲線,得出在加載階段樁頂最大荷載為9.98 mm,卸載后回彈量為7.37 mm,回彈力很大。根據(jù)曲線變化趨勢,試驗(yàn)荷載未達(dá)到試樁極限荷載。按照《建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ 340—2015)中的相關(guān)規(guī)定,當(dāng)樁徑D≥800mm時(shí),取s=0.05D對應(yīng)的荷載值,即沉降量s=0.05D=50 mm對應(yīng)的荷載、加載荷載達(dá)到最大加載值10000 kN時(shí),樁頂沉降量最大值為9.98 mm,遠(yuǎn)小于50 mm的要求,因此取10000 kN作為試樁的極限荷載容許值,該取值也達(dá)到了2倍的安全系數(shù),說明試樁豎向承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.2樁身軸力

收集鋼筋計(jì)檢測結(jié)果,通過計(jì)算得到各級(jí)加載下試樁樁身軸力,整理數(shù)據(jù)繪制主要加載階段試樁軸力分布曲線如圖2所示。

圖2 加載過程中試樁軸力分布曲線

在樁頂荷載作用下,樁身自身會(huì)產(chǎn)生一定幅度的彈性壓縮變形,樁體也會(huì)產(chǎn)生一定的沉降變形。樁身沉降必須克服樁側(cè)土體的摩阻力和樁端阻力,而樁周不同土層的土體對樁體產(chǎn)生的摩阻力不同。分析曲線變化趨勢,得出在各級(jí)加載工況下,樁身軸力隨深度變化趨勢基本一致,且隨加載荷載的增加樁身軸力也隨之增加。樁身軸力曲線在深度8 m左右出現(xiàn)較大轉(zhuǎn)折,在深度達(dá)到15 m以下曲線變化幅度較小,樁底位置樁身軸力較小。

3 單樁豎向承載力數(shù)值模擬分析

3.1 建立數(shù)值模擬分析模型

利用有限元軟件對鉆孔灌注樁單樁豎向承載力進(jìn)行數(shù)值模擬,作以下假定:樁體為線彈性材料;巖土體為彈塑性材料,且為各向同性體;樁周土體影響范圍為40D,影響深度為1.5倍樁長。按照上述鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)資料建立計(jì)算模型,由于樁體具有對稱性,因此取1/4樁體模型作為研究對象,1/4樁體模型如圖3所示。模型單元數(shù)量為12439個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)量為14215個(gè),各層土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各層土體物理力學(xué)參數(shù)

圖3 1/4樁體模型

3.2 數(shù)值模擬分析結(jié)果分析

通過有限元模擬加載過程,在加載值達(dá)到10000 kN后再增加兩級(jí)加載,數(shù)值模擬分析取最大加載荷載為12000 kN。通過數(shù)值模擬計(jì)算得到各級(jí)荷載加載樁頂沉降量。結(jié)合現(xiàn)場靜載試驗(yàn)結(jié)果,繪制荷載Q-沉降s對比分析曲線如圖4所示。

圖4 試樁荷載Q-沉降s曲線對比分析

將現(xiàn)場靜載試驗(yàn)曲線與數(shù)值模擬分析曲線進(jìn)行對比分析,得出各級(jí)試驗(yàn)荷載加載下累計(jì)沉降量檢測值與數(shù)值模擬計(jì)算值十分接近,加載荷載達(dá)到10000 kN時(shí)實(shí)測值與計(jì)算值分別為9.98 mm和9.672 mm。由于數(shù)值模擬不受荷載限制,在試驗(yàn)荷載達(dá)到10000 kN后再增加兩級(jí)加載,發(fā)現(xiàn)加載荷載達(dá)到10000 kN后Q-s曲線出現(xiàn)了明顯拐點(diǎn),因此選10000 kN作為樁基極限荷載是比較合理的,這與靜載試驗(yàn)結(jié)果是一致的。另外,數(shù)值模擬計(jì)算得到的沉降值略低于靜載試驗(yàn)現(xiàn)場檢測結(jié)果,這是由于試樁模型建立過程中所選用的土體變形模量和摩擦系數(shù)偏大造成的,但二者相差不大,說明計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確,可用于指導(dǎo)施工。

3.3 樁身軸力數(shù)值模擬

對樁身軸力進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,整理數(shù)據(jù)繪制主要加載階段沿樁深度方向樁身軸力的分布曲線如圖5所示。

圖5 試樁樁身軸力數(shù)值模擬分析圖

分析曲線變化趨勢,可以得出隨深度增加樁身軸力并不是均勻下降的,這是由于不同土層土體對樁體所產(chǎn)生的摩阻力不同造成的。在各級(jí)荷載作用下,樁身軸力曲線變化趨勢基本一致,均在深度8 m左右產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)折,隨深度增加樁身軸力不斷下降。當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到12000 kN時(shí),樁身軸力相對較大,這說明加載荷載超過10000 kN后樁側(cè)阻力對軸力的影響降低,說明樁側(cè)阻力達(dá)到了極限。另外,與圖2靜載試驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)測樁身軸力曲線進(jìn)行對比,實(shí)測值與數(shù)值模擬計(jì)算值相近,且變化趨勢相同,說明數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確,可用于指導(dǎo)施工。

4 結(jié)語

以某高速公路特大橋鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工為研究背景,以地質(zhì)條件較復(fù)雜的11#墩樁基礎(chǔ)作為研究對象,在施工現(xiàn)場開展靜載試驗(yàn)檢驗(yàn)樁基礎(chǔ)豎向承載力,并采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析,分別對樁基豎向承載力和樁身軸力實(shí)測值和計(jì)算值進(jìn)行對比分析,得出以下結(jié)論:

(1)靜載試驗(yàn)得出試樁的極限荷載容許值10000 kN,達(dá)到了2倍的安全系數(shù),滿足樁基設(shè)計(jì)豎向承載力的要求;結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果,加載荷載超過10000 kN后Q-s曲線出現(xiàn)了明顯拐點(diǎn),因此選10000 kN作為樁基極限荷載容許值是比較合理的,且計(jì)算結(jié)果與靜載試驗(yàn)結(jié)果十分接近,說明數(shù)值模擬計(jì)算準(zhǔn)確。

(2)樁身軸力靜載試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果接近,且二者變化趨勢一致,均在深度8 m左右產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)折;加載荷載達(dá)到12000 kN時(shí)樁身軸力相對較大,說明樁側(cè)阻力對軸力的影響降低,進(jìn)一步說明取10000 kN作為樁基極限荷載是合理的。

總之,通過對比分析靜載試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,得出樁基豎向承載力滿足設(shè)計(jì)要求,數(shù)值模擬分析計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確,可用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。