橋梁微型群樁樁土相互作用模擬分析

孟慶峰,王敏賢,王慧東

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木學(xué)院,石家莊 050043;2.石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院,石家莊 050043)

1 概述

傳統(tǒng)的橋梁群樁計算理論包括群樁承載力和群樁沉降計算兩部分[1],這兩部分在計算時互不相關(guān)。而事實上,由于土的力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性,群樁基礎(chǔ)的總體荷載-位移曲線為緩變型,這個結(jié)論已經(jīng)在理論上和實踐中都得到了證實。因此,對于群樁,尤其是橋梁微型群樁基礎(chǔ),雖然總體荷載-位移曲線還處于緩變階段,但是群樁的沉降已經(jīng)不能滿足上部結(jié)構(gòu)變形的要求。

微型群樁基礎(chǔ)在受豎向荷載后,由于應(yīng)力疊加導(dǎo)致樁-土體系發(fā)生變化,進行群樁樁土的相互作用分析最好的方法是試驗,但對于群樁做試驗是比較難實現(xiàn)的[2]。因此,需要建立數(shù)值方法分析模擬群樁變化情況。以往的橋梁樁總是按支撐全部荷載而設(shè)計,忽視了連續(xù)的橋梁樁承臺和全部樁之間土承載力的任何影響;因此,對于微型群樁,需要建立起基于功能要求的群樁理論分析及設(shè)計模式。計算方法首先是建立群樁及巖土體的力學(xué)模型,通過計算得到其應(yīng)力場、位移場,以研究群樁的受力變形規(guī)律。

2 ANSYS模擬分析計算

對于大多數(shù)群樁基礎(chǔ)來說,主要是由于樁周土體出現(xiàn)大片塑性區(qū),使得群樁位移過大而影響結(jié)構(gòu)物的使用功能,此時樁與承臺仍處于彈性變形階段。土的非線性對計算結(jié)果的影響很大,而考慮樁及承臺的彈塑性對分析結(jié)果的影響較小[2]?；谝陨峡紤],在對群樁基礎(chǔ)進行彈塑性分析時,只考慮土的彈塑性,而假定樁及承臺處于彈性階段[3],這樣已足以達到工程精度要求。

2.1 單元模擬

樁體和承臺簡化為線彈性體,土體簡化為非線性彈塑性體,采用 ANSYS有限元程序中 Drucker-Prager模型來模擬土體的非線性性能[2]。對 DP模型,其屈服面為一圓錐面,此圓錐面是六角形的摩爾 -庫侖屈服面的外切錐面。DP模型的優(yōu)點是采用簡單的方法考慮了靜水壓力對屈服強度的影響,參數(shù)少,計算簡單,同時也考慮了巖土材料的剪脹性。桿系有限元求得的是單元內(nèi)力(軸力、剪力和彎矩),不能具體反映單元內(nèi)部的應(yīng)力分布情況,本文的有限元計算采用SOLID45單元[4],對 SOLID45單元中的六面體八節(jié)點進行網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。用實體單元計算,獲得的應(yīng)力更能反映單元內(nèi)部的應(yīng)力分布情況,獲得的應(yīng)力更能反映土體與群樁之間的相互作用。假設(shè)樁的幾何尺寸為樁徑 d=0.2m,樁長 L=10m,其他參數(shù)有泊松比 μ=0.2,ES=2.71×107kPa,密度為2 500 kg/m3。選取 1.5d、2d、2.5d、3d樁間距。六樁平面布置如圖2所示。土體參數(shù)的取值見表1。

圖1 六樁模型的網(wǎng)格劃分

圖2 六樁模型的平面示意

表1 土體參數(shù)

2.2 計算結(jié)果

對群樁特性進行模擬分析,每樁承受 600 kN荷載作用,用逐級加載的方式,取 A(z=0時兩邊樁之間的中心點)、B(z=0時邊樁與角樁之間的中心點)、C(z=0時兩角樁之間的中心點)在不同荷載和不同樁距條件下的位移和應(yīng)力(表2、表3),得出了樁身軸力見圖3、圖4,樁的土體荷載-位移曲線如圖5所示。

表2 六樁樁間節(jié)點位移 mm

表3 六樁樁間節(jié)點應(yīng)力 kPa

圖3 六樁角樁樁身軸力

圖4 六樁邊樁樁身軸力

圖5 六樁土體荷載-沉降曲線

2.3 計算結(jié)果數(shù)據(jù)分析

2.3.1 群樁間土體位移和應(yīng)力變化曲線分析

根據(jù)模擬計算,群樁在不同樁距下的土體位移、應(yīng)力見表2、表3。為了便于比較和描述,均選擇有代表性的最大荷載等級得出的應(yīng)力、位移。從表中可以看出。

(1)在同一荷載等級和樁距條件下,樁間土體的位移變化規(guī)律是:六樁的豎向位移大于單樁的豎向位移[5]。這說明排數(shù)和樁數(shù)較多時,應(yīng)力重疊效應(yīng)增強,使樁間土的變形增加,從而導(dǎo)致豎向位移的增加。

(2)在同一荷載等級和樁距條件下,樁間土體的應(yīng)力變化規(guī)律與豎向位移變化規(guī)律相似。

(3)在同一荷載等級和樁距條件下,對于六樁,豎向位移按由大到小排列,依次為 A點、B點、C點。

(4)隨著樁距的增大,樁間土體的變形逐漸變小,樁間土體的應(yīng)力也隨之變小,這是由于相鄰樁之間的相互作用隨樁距增大而逐漸減弱的結(jié)果。

(5)由表中可以看出,樁距為 1.5d和 2d時,六樁樁間土節(jié)點 A、B、C點的應(yīng)力為負(fù),與樁距為 2.5d和3d時的應(yīng)力符號相反。在 4種樁距下,各節(jié)點應(yīng)力位移曲線的走勢相近,但樁距為 2d、2.5d和 3d時比1.5d的應(yīng)力值有大的提高?？梢娢稑毒噙x取 2d以上是比較合適的。

2.3.2 群樁中各基樁軸力曲線分析

為了便于描述,群樁各基樁軸力曲線均選擇最大荷載下繪出的軸力圖,由圖3、圖4,可以看出。

(1)群樁體系中,由于各基樁的位置不同,各基樁的承載力特性也不同。角樁承擔(dān)的荷載最大,邊樁次之。由于各基樁側(cè)阻的發(fā)揮不是同步的,角樁側(cè)阻的發(fā)揮先于邊樁。故隨荷載增大,總的規(guī)律是隨著荷載的增大,各樁分擔(dān)的荷載趨于接近。

(2)4種不同樁距下,角樁軸力變化規(guī)律都是隨樁距的增大而減小,軸力曲線也非常接近。當(dāng)樁距變化時,角樁承擔(dān)的荷載分別約增加了 3.1%。

(3)4種不同樁距下,邊樁的軸力都隨樁距的增大而減小,樁的軸力曲線在 4種樁距下的走勢相近。當(dāng)樁距從 1.5d到 2d時,邊樁軸力變化不是很大,約增大2.9%,當(dāng)樁距從 2d到 2.5d,2.5d到 3d時,邊樁的軸力變化幅度增大,約為 4.6%。

2.3.3 荷載-沉降曲線分析

樁基的荷載-沉降曲線是群樁基礎(chǔ)工作性能及群樁效應(yīng)的綜合反映。由圖5可以看出。

(1)在同一荷載水平下,六樁的沉降大于單樁[6]。當(dāng)樁距從 1.5d到 2d時,沉降量變化都很小。當(dāng)樁距從 2d到 2.5d,2.5d到 3d時,沉降都有大幅度的減小,約為 4.9%。再次說明當(dāng)樁距較小時,樁與樁之間的影響較為明顯。

(2)在同一沉降水平下,對于微型樁六樁,當(dāng)樁距從 1.5d到 2d,2d到 2.5d,2.5d到 3d變化時,其承載力都有提高,但是樁距從 1.5d到 2d,其承載力的提高并不明顯。

3 工程實例

3.1 工程概況

清江高壩洲水庫溪口橋(圖6)位于清江右岸二級支流中溪河上,橋長 124m,中部為 48m+48m等截面懸鏈線雙曲連拱,兩肋一波加兩個半懸波,凈拱度 1/8,橋面凈寬為 3.5m+2×0.5m。經(jīng)工程地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn),墩底面與基巖面間分布有厚 0.5～2.2m的粉質(zhì)黏土夾塊石層;基巖為奧陶系大灣組紫紅色泥灰?guī)r,墩身多為強風(fēng)化塊砌成,強度欠佳。建議以基巖作為橋墩基礎(chǔ)持力層,同時采取可靠措施對墩身進行加固處理。

圖6 溪口橋及基礎(chǔ)加固示意(單位:cm)

3.2 加固方案

考慮微樁直徑小,對結(jié)構(gòu)及地基的擾動極小,可以保證加固工作的安全;用鋼管壓注砂漿式微樁對基礎(chǔ)襟邊范圍的地基加固,可以保證施工在橋上進行;用鋼筋籠壓注砂漿式微樁對墩身范圍的地基及墩身進行加固,既達到了加固墩身及地基的目的,也降低了工程造價。經(jīng)研究對中墩采用 12根鋼筋籠壓注砂漿式微樁群樁穿過 0.5～2.2m的粉質(zhì)黏土夾塊石層嵌入奧陶系大灣組紫紅色泥灰?guī)r;同時對基礎(chǔ)襟邊范圍的地基采用 32根鋼管壓注砂漿式微樁群樁進行加固;微樁群樁直徑 d=300mm,樁距 3.8d;如圖6所示。

3.3 加固計算分析

采用 Algo對懸鏈線雙曲連拱橋進行計算,中墩基礎(chǔ)頂面壓力最大時,水平力 25.31 kN,垂直力7 268 kN;彎矩最大時,水平力 70.86 kN,垂直力7 170 kN。采用前述計算方法對微樁群樁進行計算,按單樁計算,水平承載力 53.45 kN,垂直承載力14 254kN;考慮群樁樁土的相互作用,水平承載力62.65 kN,垂直承載力14 887 kN。實測微樁群樁垂直承載力15 263 kN。

4 結(jié)論

文中采用的微型群樁樁土相互作用 SOLID45實體有限元模擬分析計算方法,計算條件明確,不受試驗條件等因素的影響,因此,結(jié)果不帶偶然性,易于歸納和分析;其結(jié)果是整個求解域內(nèi)的應(yīng)力場、位移場等,能比較全面、細(xì)致地反應(yīng)出樁及巖土體的受力及變形情況;與試驗方法相比,其最大優(yōu)勢在于計算周期短,費用低,易于改變計算參數(shù)以滿足不同的計算目的。計算結(jié)果與文獻[6]、文獻[7]中試驗實測數(shù)據(jù)完全吻合,基于 ANSYS的微型群樁樁土相互作用的模擬分析計算方法可供同類結(jié)構(gòu)計算參考。

[1] 林天健,熊厚金,王利群.樁基礎(chǔ)設(shè)計指南[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.

[2] 李 瑜.樁與土相互作用體系有限元研究初探[D].南京:河海大學(xué),2003.

[3] 趙 偉.樁土相互作用的數(shù)值分析及計算機模擬[D].遼寧:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2002.

[4] 李 圍.ANSYS土木工程應(yīng)用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[5] 楊愛文,羅麗娟,李偉平.樁土相互作用及單樁承載力確定模擬研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護,2004,15(4):66-69.

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[7] 王成雷,王建華,馮士倫.土層液化條件下樁土相互作用 p-y關(guān)系分析[J].巖土工程學(xué)報,2007,29(10):1500-1505.