蘇通大橋群樁基礎(chǔ)應(yīng)力擴(kuò)散角反演分析

薛 濤,劉文淑,姚宇闐,陳志堅(jiān),萬許輝

(1.河海大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇南京 210098;2.南京大學(xué)地球科學(xué)系,江蘇南京 210093)

蘇通大橋群樁基礎(chǔ)應(yīng)力擴(kuò)散角反演分析

薛 濤1,劉文淑2,姚宇闐1,陳志堅(jiān)1,萬許輝1

(1.河海大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇南京 210098;2.南京大學(xué)地球科學(xué)系,江蘇南京 210093)

等代墩基法是群樁沉降計(jì)算的一種簡化模式,在計(jì)算超長大直徑鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)最終沉降量時(shí),得到的理論值往往偏大,經(jīng)沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)修正后其值又偏小,而且按照從外圍基樁以ˉφ/4(ˉφ為平均摩擦角)來考慮應(yīng)力擴(kuò)散作用顯然不適用于深水群樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算.鑒于此,利用蘇通大橋地基基礎(chǔ)安全監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測數(shù)據(jù),考慮鋼護(hù)筒與樁身共同作用,采用等代墩基法模型反演不同施工階段應(yīng)力擴(kuò)散角,得到荷載傳遞過程中應(yīng)力擴(kuò)散角隨時(shí)間的變化規(guī)律,從而給出用等代墩基法計(jì)算深水群樁基礎(chǔ)沉降時(shí)應(yīng)力擴(kuò)散角的取值范圍,為樁基設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù).

蘇通大橋;群樁基礎(chǔ);等代墩基法;沉降;應(yīng)力擴(kuò)散角;在線監(jiān)測

為了滿足承載力、沉降以及整體穩(wěn)定性的要求,大型建筑、道路橋梁等工程的樁基往往設(shè)計(jì)為群樁基礎(chǔ).然而,群樁基礎(chǔ)沉降變形性狀在荷載傳遞過程中因承臺(tái)、樁、土的相互作用會(huì)變得非常復(fù)雜,國內(nèi)外學(xué)者也因此對群樁沉降計(jì)算方法進(jìn)行了大量的研究[1-5].

事實(shí)上,工程建設(shè)中廣泛采用的是規(guī)范推薦的等代墩基法[6-8].該法是群樁沉降計(jì)算的一種簡化模式.考慮到深基礎(chǔ)的荷載-沉降關(guān)系與淺基礎(chǔ)不同,各規(guī)范[9-11]都從附加應(yīng)力分布、附加應(yīng)力擴(kuò)散、實(shí)體基礎(chǔ)底面位置等方面做了相應(yīng)修正.但該模式假定等代范圍內(nèi)的樁間土不產(chǎn)生壓縮變形,不考慮樁身壓縮量,樁側(cè)阻力擴(kuò)散由放大的等代墩基替代,且應(yīng)力擴(kuò)散角通常按/4(為平均摩擦角)取值,這就使得理論計(jì)算結(jié)果較實(shí)測值偏大.

本文結(jié)合蘇通大橋的工程特點(diǎn),針對其超大群樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算中的一些問題,利用信息化監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)果,在對樁端壓力盒實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、修正的基礎(chǔ)上,考慮鋼護(hù)筒的共同作用、沖刷防護(hù)層對地基土層的改良作用、樁端后壓漿對樁底土層的擠密作用[12]等來反演沉降變形過程中的應(yīng)力擴(kuò)散角,從而分析應(yīng)力擴(kuò)散角隨時(shí)間的變化規(guī)律,并給出用等代墩基法計(jì)算群樁基礎(chǔ)沉降時(shí)應(yīng)力擴(kuò)散角的取值范圍.

1 等代墩基法計(jì)算模型及反演過程推導(dǎo)

1.1 等代墩基法模型

蘇通大橋采用主跨1088m的雙塔雙索面斜拉橋,其主塔基礎(chǔ)由131根長約120m的D2.8m/D2.5m鉆孔灌注樁組成,自重約1.0GN,從而形成目前世界上最大的高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)[5].用等代墩基法對該基礎(chǔ)進(jìn)行沉降計(jì)算時(shí),考慮群樁外圍側(cè)面剪應(yīng)力的擴(kuò)散作用,擴(kuò)散角從樁土交界處外圍按/4向下擴(kuò)散,且假想實(shí)體深基礎(chǔ)底面相交的面積為實(shí)體深基礎(chǔ)的底面積F(在此視為矩形布置的群樁基礎(chǔ)),其模型可表示為

式中:a,b——群樁樁頂外圍矩形面積的長度和寬度;a′,b′——假想實(shí)體深基礎(chǔ)樁底面積擴(kuò)大后的長度和寬度;l——入土部分的樁長.

1.2 群樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算參數(shù)反演過程

蘇通大橋群樁基礎(chǔ)處于深水環(huán)境,河床面以上基樁自由段長達(dá)19m,加之河床覆蓋層松軟,故基樁上部設(shè)置55m長、壁厚25mm的鋼護(hù)筒,并作為永久性結(jié)構(gòu)參與樁基礎(chǔ)共同受力.因此,在推導(dǎo)反演公式前,給出以下假定:(a)啞鈴型群樁基礎(chǔ)概化為矩形基礎(chǔ);(b)等代墩基礎(chǔ)基底附加應(yīng)力近似等于群樁基礎(chǔ)樁底附加應(yīng)力(即實(shí)測附加應(yīng)力);(c)設(shè)置鋼護(hù)筒段土層的摩擦角無提高作用,即擴(kuò)散角的提高是由鋼護(hù)筒底面以下土層摩擦角的提高作用形成的.

按國內(nèi)規(guī)范[9-11]通用公式,樁端基底附加壓力計(jì)算公式為(注:不同規(guī)范對于N的取值有所不同)

式中:pz——樁端基底附加應(yīng)力;N——上部結(jié)構(gòu)荷載;A——樁端底面積.由此推出

式中:p——實(shí)測基底附加壓力;F——擴(kuò)散后的基礎(chǔ)底面積.聯(lián)立式(1),(3)得

解得 α,則摩擦角 ˉφ=4α即為所求.其中 α為擴(kuò)散角.

考慮鋼護(hù)筒所在樁身不涉及樁周土的加強(qiáng)作用,而鋼護(hù)筒下部樁身涉及樁周土的加強(qiáng)作用.由于

式中:φi——第i層土的摩擦角,i=1,2,…,k-1,k,…,n;η——摩擦角提高系數(shù);li——第i層土中樁的伸入長度,i=1,2,…,k-1,k,…,n.

2 應(yīng)用實(shí)例及分析

蘇通大橋主4號(hào)墩基樁監(jiān)測始于2004年7月,考慮到外加荷載的準(zhǔn)確性和實(shí)測數(shù)據(jù)的完整性,選擇2005年1月11日鋼套箱抽水后到2007年8月13日成橋后這段時(shí)間的實(shí)測數(shù)據(jù)作為分析依據(jù).由于傳感器實(shí)測數(shù)據(jù)會(huì)受到大氣溫度、日照輻射、風(fēng)、水流、潮位等環(huán)境因素的影響,因此要對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,并對計(jì)算后的樁端應(yīng)力值進(jìn)行修正.對于測值變化較大的異常值,通過繪制監(jiān)測響應(yīng)量的時(shí)間過程曲線,并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判別法直接消除.而對于那些變化不明顯且規(guī)律性較強(qiáng)的異常值,本文通過以下修正手段進(jìn)行消除.

首先為了消除水流、溫度及風(fēng)對應(yīng)力大小的影響,以承臺(tái)縱向軸線為對稱軸,將1號(hào)和77號(hào)樁測點(diǎn)、29號(hào)和100號(hào)樁測點(diǎn)、64號(hào)和126號(hào)樁測點(diǎn)的應(yīng)力值進(jìn)行算術(shù)平均;其次以承臺(tái)橫橋向中心軸為對稱軸將南、北兩側(cè)的應(yīng)力值進(jìn)行算術(shù)平均,以消除太陽直射及風(fēng)對樁端附加應(yīng)力的影響;最后根據(jù)不同工況潮位變化對樁端附加應(yīng)力測值和荷載進(jìn)行修正,用水頭變化修正壓力盒測值所受潮位的影響,用浮力修正上部荷載所受潮位的影響.水頭變化對樁底孔隙水壓力具有一定的影響,因此分析壓力盒潮位影響時(shí)須用水頭變化乘以水頭影響系數(shù)來修正測值.經(jīng)過相同工況不同潮位的樁底壓力盒數(shù)據(jù)的對比分析,得出本工程地質(zhì)條件下水頭影響系數(shù)為0.1.通過以上處理可以得到不同工況下的樁端平均附加應(yīng)力.再根據(jù)推導(dǎo)出的公式計(jì)算內(nèi)摩擦角的提高系數(shù),計(jì)算結(jié)果見表1.

由表1可以看出,隨著施工進(jìn)度的變化,基底附加應(yīng)力呈增長趨勢,應(yīng)力擴(kuò)散角卻逐漸減小.因?yàn)樵谑┕み^程中,隨著荷載的逐漸增加和時(shí)間的推移,樁間土及其周圍土層在超孔隙水壓力作用下不斷發(fā)生排水固結(jié)作用,基礎(chǔ)不斷沉降,基礎(chǔ)土層應(yīng)力狀態(tài)不斷發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致等代墩基礎(chǔ)擴(kuò)散角不斷發(fā)生變化,并且變化趨勢越來越小,最終將會(huì)穩(wěn)定在某個(gè)特定值上.

表1 計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculated results

鑒于此,等代墩基法模型的應(yīng)力擴(kuò)散角也在不斷發(fā)生變化.擴(kuò)散角提高系數(shù)及摩擦角提高系數(shù) η隨時(shí)間變化及函數(shù)擬合曲線分別如圖1和圖2所示.

圖1 應(yīng)力擴(kuò)散角提高系數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.1 Variation of increasing coefficient of stress diffusion angle with time

圖2 摩擦角提高系數(shù)η隨時(shí)間變化曲線Fig.2 Variation of increasing coefficient η of friction angle with time

為了獲取應(yīng)力擴(kuò)散角的取值范圍,按設(shè)計(jì)期限100a對所得擴(kuò)散角提高系數(shù)分別進(jìn)行了對數(shù)和乘冪的函數(shù)擬合(圖1),由此得到的提高系數(shù)分別是1.30和1.32,綜合考慮后,將該基礎(chǔ)的擴(kuò)散角提高系數(shù)取為1.3.同時(shí)對η取值也分別做了對數(shù)和乘冪的函數(shù)擬合(圖2),按設(shè)計(jì)期限100a進(jìn)行計(jì)算,得出的 η值分別是0.48和0.56,因此 η取值為0.4～0.6.

以蘇通大橋主5號(hào)墩群樁基礎(chǔ)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)對上述反演結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果見表2.

由表2可以看出,利用本文反演結(jié)果計(jì)算得出的基底附加應(yīng)力與實(shí)測值比較接近,這對于超大群樁基礎(chǔ)沉降變形計(jì)算研究很有意義.

表2 計(jì)算參數(shù)對比Table 2 Comparison of calculated parameters

3 結(jié) 論

a.應(yīng)力擴(kuò)散角的變化是基礎(chǔ)土層應(yīng)力狀態(tài)不斷發(fā)生變化的結(jié)果.

b.蘇通大橋主4號(hào)墩計(jì)算結(jié)果顯示,反演計(jì)算后的擴(kuò)散角相對于規(guī)范計(jì)算擴(kuò)散角有較大的提高.實(shí)際應(yīng)用中若按規(guī)范取ˉφ/4的擴(kuò)散角進(jìn)行計(jì)算,則須對鋼護(hù)筒以下的土層摩擦角進(jìn)行修正,修正系數(shù)為(1+η),η取值為0.4～0.6.

c.利用反演得到的應(yīng)力擴(kuò)散角來計(jì)算樁底附加應(yīng)力,所得結(jié)果與實(shí)測值比較接近,能比較真實(shí)地反映基底實(shí)際受力情況,并且利用此值計(jì)算出的群樁基礎(chǔ)沉降也與實(shí)測值比較接近.

d.反演群樁基礎(chǔ)應(yīng)力擴(kuò)散角時(shí),實(shí)測數(shù)據(jù)的精度尤為重要,故還需進(jìn)一步研究數(shù)據(jù)的信噪分離技術(shù).

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Back analysis of stress diffusion angle for foundation with pile groups of Suzhou-Nantong Bridge

XUE Tao1,LIU Wen-shu2,YAO Yu-tian1,CHEN Zhi-jian1,WAN Xu-hui1
(1.College of Civil Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China;
2.Department of Earth Science,Nanjing University,Nanjing210093,China)

The equivalent pier method is a simplified model for calculating the settlement of a foundation with pile groups.However,the calculated final settlement of the foundation with super-long large-diameter drilled bored pile groups is much larger,and it is much smaller after modified by empirical coefficients.Meanwhile,it is not suitable to calculate the settlement of deep-water foundations with pile groups according to the stress diffusion angle ˉφ/4(ˉφis the average friction angle)of the outside piles.Therefore,using the real-time online data of the foundation safety monitoring system of the Suzhou-Nantong Bridge and the interaction between the steel casing and the piles,the stress diffusion angle at different construction stageswas back analyzed through the equivalent pier method model.The variation patterns of the stress diffusion angle over time were obtained during the load transfer process.Furthermore,the range of the stress diffusion angle was proposed for the calculation of the settlement of the deep-water foundation with pile groups using the equivalent pier method,providing a theoretical basis for the design of pile foundations.

Suzhou-Nantong Bridge;foundation with pile groups;equivalent pier method;settlement;stress diffusion angle;online monitoring

U443.15

A

1000-1980(2010)01-0076-04

10.3876/j.issn.1000-1980.2010.01.016

2008-12-25

國家科技支撐計(jì)劃(2006BAG04B05);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2002CB412707)

薛濤(1966—),女,山西萬榮人,高級講師,博士研究生,主要從事巖土體工程穩(wěn)定與安全監(jiān)測研究.E-mail:lzxuet@163.com