許楊林

(中鐵十一局集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430061)

1 引言

高速公路橋梁在跨越濱海灘涂時(shí)，往往需先修建施工便道再施工樁基等下部結(jié)構(gòu)[1－2]。在施工便道、車輛荷載等作用下，樁基附近土體平衡條件被打破，將產(chǎn)生固結(jié)沉降，導(dǎo)致樁基出現(xiàn)負(fù)摩阻力，使其發(fā)生下沉。同時(shí)，便道等荷載產(chǎn)生的附加水平應(yīng)力會(huì)造成樁基變形、移動(dòng)，導(dǎo)致樁基破壞[3－4]。因此，開(kāi)展施工便道對(duì)樁基影響的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義[5－7]。

本文以某在建工程為研究背景，采用 Midas GTS-NX、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論方法研究了施工便道對(duì)樁基負(fù)摩阻力和水平變形的影響，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可靠性，對(duì)比三種方法的差異，探討了便道荷載、便道位置對(duì)樁基負(fù)摩阻力和水平位移的影響規(guī)律，研究結(jié)果可為相關(guān)工程提供參考[8－10]。

2 工程背景

某沿海地區(qū)高速公路橋梁位于四面環(huán)水的淺海沉積區(qū)域，水深0.5～2 m，淤泥層和淤泥質(zhì)層平均厚度約為40 m，樁基直徑分為1.6 m和1.8 m兩種，樁長(zhǎng)為80 m，采用鉆孔灌注工藝施工。為進(jìn)行樁基施工，在線路一側(cè)設(shè)計(jì)施工便道和圍堰。施工便道采用吹填方式施工，施工前先填筑橋梁樁基兩側(cè)的施工圍堰，然后在圍堰與樁基之間采用吹砂填筑，當(dāng)吹砂達(dá)到要求后在其上修建便道。便道和樁基位置關(guān)系如圖1所示[11－12]。

圖1 便道尺寸及位置(單位:cm)

橋址地下水位標(biāo)高約為－0.5 m，便道路面標(biāo)高為2.0 m，便道填土厚度和頂部寬度分別為2和8 m，路肩放坡1∶1，便道頂部邊緣距離樁基中心距離為4.65 m。從原地面向下，淤泥厚度為30.7 m，淤泥質(zhì)黏土厚度為10.8 m，粉砂厚度為21.0 m，粉質(zhì)黏土厚度為5 m，全風(fēng)化砂巖厚度為7.5 m，中風(fēng)化砂巖厚度為7.1 m，地層情況和土體物理特性如表1所示。

表1 土體物理特性

3 施工便道對(duì)樁基負(fù)摩阻力和水平位移的影響

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為評(píng)估施工便道對(duì)樁基的影響，本文依據(jù)便道設(shè)計(jì)方案開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)基樁為20?！?2＃橋墩右幅樁基(編號(hào)為sz20～sz22)，采用GPS—250正循環(huán)回旋鉆鉆孔工藝施工。3根基樁(sz20～sz22)直徑均為1.6 m，樁基長(zhǎng)度為80 m，間距為20 m。采用鋼筋計(jì)監(jiān)控樁基負(fù)摩阻力，從樁頂?shù)綐兜组g隔2.0 m布置監(jiān)測(cè)截面，各截面對(duì)稱布置兩根鋼筋計(jì)。為測(cè)量樁基水平位移，在樁基中心布置測(cè)斜管，埋設(shè)長(zhǎng)度為80 m?？紤]到施工完成初期沉降速度較快，為準(zhǔn)確反映便道荷載對(duì)樁基的影響，本文選取樁基施工完成30 d且土體變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的數(shù)據(jù)分析樁基負(fù)摩阻力和水平位移。

3.2 理論計(jì)算方法

(1)樁基豎向承載力及負(fù)摩阻力計(jì)算

在施工便道荷載和車輛荷載作用下，樁周土體將產(chǎn)生一定沉降，使樁身承受向下的負(fù)摩阻力。本文采用?建筑樁基技術(shù)規(guī)范?(JGJ 94—2008)推薦的有效應(yīng)力方法計(jì)算樁基摩阻力:

當(dāng)?shù)孛娣植即竺娣e荷載時(shí)，采用下列公式計(jì)算有效應(yīng)力:

式中:σ′γi為由土體自重引起的樁周第i層土平均豎向有效應(yīng)力；γe和γi分別為第i計(jì)算土層和其上第e土層的重度；Δze和Δzi為第i層土和第e層土的厚度；p為地面均布荷載。

根據(jù)?建筑樁基技術(shù)規(guī)范?(JGJ 94—2008)規(guī)定，樁周軟弱土層下限深度為40.15 m?？紤]橋址位置地質(zhì)情況，樁側(cè)負(fù)摩阻力系數(shù)取為0.15。根據(jù)式(1)～式(3)可計(jì)算得到各土層摩阻力系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值，結(jié)果如表2所示。依據(jù)表2可計(jì)算得到1.8 m和1.6 m樁基承載力為14 456 kN和11 596 kN，負(fù)摩阻力為3 455 kN和3 073 kN。

表2 摩阻力系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值

(2)樁基水平位移計(jì)算

在施工便道等荷載作用下，樁基將產(chǎn)生水平變形，因此需驗(yàn)算其水平位移。便道堆載引起的樁基水平應(yīng)力:

式中:σx為樁基水平方向的正應(yīng)力；ksx為均布條形荷載下的水平附加應(yīng)力系數(shù)；P0為作用于地表的荷載。

依據(jù)?公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范?(JTG D 60—2015)可計(jì)算出換算土層厚度和地表荷載，附加應(yīng)力系數(shù)公式:

式中:z為計(jì)算點(diǎn)到地表的深度；x為樁到均布荷載中心的距離；b為均布荷載的寬度。

依據(jù)各土層附加應(yīng)力計(jì)算值，可求出1.8 m和1.6 m樁基的水平力分別為432.13 kN和384.11 kN。根據(jù)?公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范?，采用單排樁柱式橋墩計(jì)算用表，樁底嵌固在基巖中時(shí)的樁頂水平位移為:

根據(jù)式(6)，便道荷載作用下，1.8 m和1.6 m樁基的樁頂位移分別為13.9 mm和14.7 mm。依據(jù)?公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范?和?公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范?，樁基水平位移限值為15 mm。

3.3 數(shù)值模型

本文采用Midas GTS-NX對(duì)樁基進(jìn)行建模分析，計(jì)算域范圍為:橋梁長(zhǎng)度方向20 m，橋梁橫向74 m，深度為108 m；圍堰參照實(shí)際結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為梯形荷載。模型土體分為6層，其本構(gòu)關(guān)系選用Mohr-Coulomb模型，參照?公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范?，車輛荷載換算后取13.75 kPa，樁基采用單樁形式，長(zhǎng)度為80 m，C30混凝土彈性模量 30 GPa，泊松比0.2，密度2 500 kg/m3，樁基－土體模型如圖2所示。

圖2 樁基－土體模型

3.4 計(jì)算結(jié)果分析與對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的1.6 m直徑樁基負(fù)摩阻力及水平位移曲線如圖3所示?？梢钥闯觯F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可靠性；樁基摩阻力在距離樁底約45～70 m范圍內(nèi)為負(fù)值，表明在便道荷載作用下土體發(fā)生沉降，對(duì)樁基產(chǎn)生了負(fù)摩阻力。在該范圍內(nèi)，負(fù)摩阻力表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，隨著距樁底距離減小，摩阻力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，在樁底位置產(chǎn)生最大正摩阻力。同時(shí)可以觀察到，隨著樁基高度增大，其水平位移逐漸增大，在樁頂位置達(dá)到最大值。

圖3 便道荷載對(duì)樁基的影響(樁基直徑1.6 m)

三種方法得出的樁基負(fù)摩阻力和最大水平位移如表3所示。從表3可以看到，三種方法所得結(jié)果均滿足要求，樁基負(fù)摩阻力約為樁基承載力的25%，樁基水平位移均小于15 mm，說(shuō)明工程便道布置方案可行；數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果基本一致，而理論方法計(jì)算的負(fù)摩阻力和樁頂水平位移相對(duì)偏大，其主要原因?yàn)槔碚摲椒ㄊ遣捎胢法計(jì)算，對(duì)樁基和土體進(jìn)行了簡(jiǎn)化，無(wú)法考慮三維樁土效應(yīng)等實(shí)際情況，因此結(jié)果偏保守；而Midas GTS-NX是基于Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，與樁基實(shí)際受力狀態(tài)更加接近，其結(jié)果也更為準(zhǔn)確。在分析便道、堆載等荷載對(duì)樁基影響時(shí)，考慮到計(jì)算的便捷性，可先采用理論方法進(jìn)行初步計(jì)算。

表3 樁基負(fù)摩阻力和水平位移計(jì)算結(jié)果

4 數(shù)值模擬影響參數(shù)分析

本文以1.6 m直徑樁基為基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬方法研究了便道荷載、便道位置對(duì)樁基摩阻力和水平變形的影響。

(1)便道荷載大小影響

便道荷載及樁基變形和受力有較大關(guān)系，施工便道的設(shè)計(jì)尺寸、施工荷載等均會(huì)改變便道荷載的大小，為簡(jiǎn)化研究，本文選取20、40、60、80 kPa 四種荷載工況研究便道荷載對(duì)樁基負(fù)摩阻力和水平變形的影響。便道中心位置距離樁基中心6.0 m，土層物理特性等參數(shù)與前述案例一致，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 便道不同荷載工況對(duì)樁基的影響

由圖4a可知，隨著便道荷載增大，樁基摩阻力中性點(diǎn)位置逐漸下移，從距離樁底45 m位置移至60 m位置，最大負(fù)摩阻力也隨之增大，而最大負(fù)摩阻力位置均出現(xiàn)在距離樁底55 m位置。表明便道荷載增大會(huì)導(dǎo)致樁基負(fù)摩阻力增大，使摩阻力中性點(diǎn)位置向下移動(dòng)。由圖4b可知，各工況均在樁頂位置產(chǎn)生最大水平位移，隨便道荷載的增大，樁基水平位移從4.9 mm增大至36.8 mm；當(dāng)便道荷載為20～60 kPa時(shí)，樁底水平位移始終為0，而當(dāng)便道荷載增大至80 kPa時(shí)，樁體產(chǎn)生了明顯的整體水平移動(dòng)現(xiàn)象。

(2)便道位置影響

為研究便道位置對(duì)樁基負(fù)摩阻力和水平變形的影響，選取便道距離樁基中心2.0、3.0、4.0和6.0 m四種工況，便道位置荷載取40 kPa，其余參數(shù)與前文案例一致，樁基摩阻力和水平變形計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 便道位置對(duì)樁基的影響

從圖5a可以看出，當(dāng)便道位置從2.0 m變?yōu)?.0 m時(shí)，樁基最大負(fù)摩阻力從－18.5 kPa降低至－8.3 kPa，最大負(fù)摩阻力位置也逐漸向下移動(dòng)，距離增大顯著減小了樁基的負(fù)摩阻力；同時(shí)，隨著間距增大，摩阻力中性點(diǎn)出現(xiàn)輕微降低，其位置從距離樁底47 m變?yōu)榫嚯x樁底38 m。上述結(jié)果表明，增大便道和樁基的距離可以有效降低樁基負(fù)摩阻力，而便道位置對(duì)樁基摩阻力中性點(diǎn)的影響較小。從圖5b可以看出，當(dāng)便道距離樁基較遠(yuǎn)時(shí)，最大水平位移出現(xiàn)在樁頂位置，隨著便道位置逐漸接近樁基，樁基水平位移曲線發(fā)生改變，水平位移逐漸增大，最大水平位移出現(xiàn)在距離樁頂約20 m位置。同時(shí)可以看到，各工況下，樁底位移始終為0，樁基沒(méi)有發(fā)生整體水平移動(dòng)的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1)在便道荷載作用下土體發(fā)生沉降，樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力和水平位移，隨著距樁底距離的減小，負(fù)摩阻力表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，然后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，水平位移最大值出現(xiàn)在樁頂。

(2)理論方法基于m法計(jì)算，對(duì)樁基和土體進(jìn)行了簡(jiǎn)化，無(wú)法考慮三維樁土效應(yīng)實(shí)際情況，結(jié)果偏保守；而基于Midas GTS-NX數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果更接近真實(shí)情況。

(3)便道荷載對(duì)樁基摩阻力中性點(diǎn)位置和最大負(fù)摩阻力有較大影響，而最大負(fù)摩阻力位置基本不受便道荷載影響。隨著便道荷載的增大，樁基摩阻力中性點(diǎn)位置逐漸下移，樁基負(fù)摩阻力和水平位移明顯增大，直至出現(xiàn)整體水平移動(dòng)。

(4)便道位置對(duì)最大負(fù)摩阻力和其出現(xiàn)位置影響較大，而對(duì)摩阻力中性點(diǎn)影響較小。隨著便道和樁基距離增大，最大負(fù)摩阻力減小，最大負(fù)摩阻力位置也隨之向下移動(dòng)，樁基的負(fù)摩阻力和最大水平位移顯著降低。當(dāng)便道位置逐漸接近樁基，最大水平位移位置從樁頂轉(zhuǎn)變?yōu)榫鄻俄敿s20 m位置。