輕型空箱圍堤對鄰近橋梁樁基影響分析

沈 君,伍麗燕

(浙江省海鹽經(jīng)濟開發(fā)區(qū)管委會,浙江 海鹽 314300)

0 引 言

在建設或運行過程中,經(jīng)常會遇到圍堤或堆載對鄰近重要建(構)筑物(如大橋、工業(yè)廠房等)樁基礎產(chǎn)生影響的問題,國內(nèi)有較多的描述[1-2],主要表現(xiàn)為側向推力和軸向負摩阻力.為減少側向推力和負摩阻力,除采用地基處理手段加固上層軟土降低土體沉降和水平位移外,最為有效的方法就是采用樁筏基礎將上部堆載或圍堤荷載傳遞到深層較硬的土層.這種采用樁筏基礎作為基礎的圍堤或堆載,稱之為樁承式圍堤.

在嘉興港海鹽港區(qū)圍堤與杭州灣跨海大橋的穿越段,為了降低海鹽港區(qū)圍堤對杭州灣跨海大橋樁基的影響,就使用了樁承式圍堤.

圍堤主體采用土石混合式結構,堤頂寬度7.0 m,堤頂高程8.2 m,其它尺寸見圖1.

圖1 主圍堤斷面

根據(jù)規(guī)劃,擬建圍堤在北引橋A44和A45橋墩間穿越杭州灣跨海大橋.A44和A45橋墩均采用圖2所示樁基礎,1#樁離圍堤邊緣最近.如仍采用主圍堤結構,由于大橋樁基為嵌巖樁,圍堤必然引起橋梁樁基較大的負摩阻力和水平推力作用.根據(jù)分析比較,穿越段采用樁承式圍堤,見圖3.整個穿越段由6個分離式樁筏基礎組成,每個基礎由15根長30m、直徑800mm的鋼筋混凝土樁以及長15 m,寬11.6 m、厚0.8m的筏板組成,見圖4.各筏板間設置施工縫.堤邊緣距大橋樁基中心線15 m,頂面高程為8.7 m.考慮防滲要求,在樁筏基礎外側采用水泥土攪拌樁進行地基加固.

圖2 杭州灣跨海大橋北引橋A44和A45橋墩樁基礎

圖3 嘉興港海鹽港區(qū)大橋穿越段樁承式圍堤

本文對穿越段樁承式圍堤和主圍堤對杭州灣跨海大橋樁基的影響進行理論分析1)吳興龍,沈 君.嘉興港海鹽港區(qū)圍涂工程與杭州灣大橋交叉工程影響與工程方案設計[R],2005.,重點評估負摩阻力和側向推力,從而為該工程的設計提供依據(jù).

1 負摩阻力與側向推力確定

負摩阻力是由于樁周土體沉降大于樁本身的沉降而產(chǎn)生向下的下拉荷載.由于橋梁樁基為嵌巖樁,沉降較小(主要由樁本身的壓縮引起).因此通過計算大橋基樁附近土體的沉降可判定負摩阻力是否存在.而土體沉降計算與計算點處的應力有關.根據(jù)《建筑地基基礎規(guī)范》(GB50007-2002)[3],如果某點的豎向附加應力 σz小于自重應力σs的10%,認為該點處土體不發(fā)生壓縮變形.因此,通過計算地基附加應力和自重應力,比較附加應力與自重應力的比值(σz/σs)即可判定負摩阻力.

在確定了群樁中各基樁樁頂承擔荷載Pi和樁端、樁身分布荷載后,由于主圍堤離橋梁樁基較遠,由地面荷載引起地基中某點的彈性應力解答可由Bousinesq解計算[4],而由樁基分布荷載(樁身和樁端荷載)引起的應力可采用Geddes彈性應力解答確定[4].

對于側向推力問題,由于采用樁承式圍堤,圍堤荷載全部由樁基承擔,土體承擔的荷載較小,不會發(fā)生側向滑動破壞,此時側向推力不再由土體滑動引起,而是由樁基傳遞的荷載和主圍堤引起.由于主圍堤離橋梁樁基較遠,由此引起地基中某點的彈性應力解答可由Boussinesq解計算,而由樁基分布荷載引起的應力可由Mindlin應力解確定.

對于側向推力問題,由于采用樁承式圍堤,圍堤荷載全部由樁基承擔,土體承擔的荷載較小,不會發(fā)生側向滑動破壞,此時側向推力不再由土體滑動引起,而是由樁基傳遞的荷載和主圍堤引起.由于主圍堤離橋梁樁基較遠,由此引起地基中某點的彈性應力解答可由Boussinesq解計算,而由樁基分布荷載引起的應力可由Mindlin應力解確定.

由于1#樁離圍堤距離最小,下面僅討論樁承式圍堤和主圍堤對1#樁產(chǎn)生的附加應力,從而評價負摩阻力和水平推力.分析步驟如下:

(1)采用圍堤樁筏基礎分析方法計算樁筏基礎沉降與群樁中各樁承擔的樁頂荷載,以及荷載沿深度分布;

(2)采用Mindlin應力解答,計算1#樁處由樁承式圍堤引起的豎向應力和側向應力;

(3)采用Boussinesq應力解答,計算1#樁處由主圍堤、大橋段圍堤和主圍堤間過渡段引起的豎向應力和側向應力,并與(2)的計算結果疊加得到總附加豎向應力和側向應力;

(4)比較1#樁處地基豎向附加應力和自重應力,分析負摩阻力;

(5)根據(jù)1#樁處地基側向附加應力和自重應力,計算側向推力(側向地基附加應力乘以作用面積).

2 樁頂沉降與荷載分擔比

根據(jù)地質(zhì)勘察報告,土體組成和性質(zhì)指標,見表1.

由于樁長為30 m,則樁端持力層為第7層粉質(zhì)黏土.由于缺乏現(xiàn)場樁基試驗資料,根據(jù)土層性質(zhì)和物理力學指標以及《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ94-94)[5],選取樁側極限摩阻力和樁端極限阻力如表1.根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ94-94),取β=0,由此計算得單樁承載力為1192.8 kN,端阻比α為0.12.因此對于任意基樁,設承擔總荷載為Pi,樁端荷載為0.12 Pi,樁側線性增長線荷載總和為0.88 Pi.各樁承擔總荷載 Pi計算過程和結果如下.

樁和筏板混凝土標號為C30,容重25 kN/m3,彈性模量取30 GPa,泊松比取0.17.假設每個樁筏基礎間不發(fā)生相互影響,由樁承式圍堤樁筏基礎分析方法計算得每個樁筏基礎中各樁承擔的荷載大小,見圖4.各樁承擔的荷載大小為803.5～1667.8 kN,沉降為22.4～46.8 mm.

圖4 樁筏基礎中各樁沉降及樁頂分擔荷載

表1 土體性質(zhì)指標與計算參數(shù)

同時,由于使用樁承式圍堤的目的在于消除圍堤對鄰近大橋樁基產(chǎn)生過大負摩阻力和側向推力的作用,此時地基土體可承擔一部分圍堤荷載,從而提高承載力安全度.這樣既不會導致樁基承載力過小(或相應的地基土體承擔的荷載過大而發(fā)生破壞),另一方面又使樁承式圍堤能夠產(chǎn)生較大的沉降,降低大橋段圍堤與主圍堤之間過大的差異沉降.

3 數(shù)值模擬分析

為了能得到比較準確的計算結果,本文還對樁承式圍堤對鄰近大橋樁基的影響進行了三維彈性和彈塑性數(shù)值模擬.通過三維數(shù)值分析,可直接確定大橋樁基應力沿深度的分布,從而得到負摩阻力和側向應力,以及下拉荷載和側向推力.

在彈性模型中土體和樁基都采用Hooke彈性應力應變關系,圍堤簡化為地面荷載,荷載大小為堆載高度乘以重度(假定為18 kN/m3).

考慮結構的對稱性,建立1/4分析模型,見圖5.

圖5 整體模型的三維數(shù)值分析網(wǎng)格

4 簡化方法與數(shù)值分析結果的比較

圖6為大橋橋墩樁基的負摩阻力沿深度變化曲線.由于大橋橋墩樁基為嵌巖樁,在數(shù)值模擬中必然會出現(xiàn)負摩阻力.由圖6的負摩阻力分布可見,最大負摩阻力僅為10.2 kPa.

圖6 負摩阻力沿深度分布

通過比較大橋段圍堤基樁沉降、樁頂分擔荷載的沉降,可以發(fā)現(xiàn):

(1)兩種彈性分析計算得到的圍堤沉降和樁頂荷載比較一致,彈性應力解答得到的樁頂沉降和樁頂分擔荷載稍小于彈性分析結果.

(2)比較各樁承擔的總荷載和樁頂上圍堤施加的總荷載表明,樁承式圍堤的荷載主要由樁基承擔,圍堤荷載通過樁基傳遞到深部土層,從而能降低圍堤堆載對鄰近橋梁樁基的影響.

因此,采用三維彈性模擬可用于分析大橋段圍堤對大橋樁基的影響.彈性應力解答可用于確定大橋樁基的負摩阻力效應,由于彈性應力解答不能考慮樁基的影響,很難準確確定圍堤對大橋樁基的側向推力.

下面根據(jù)彈塑性和彈性分析結果,討論圍堤對大橋樁基的影響.

4.1 負摩阻力影響分析

(1)由兩種方法得到1#樁樁周土體最大附加豎向應力/自重應力分別為7%和9%,都小于10%,因此沿大橋基樁長度內(nèi),土體沉降和負摩阻力可忽略.

(2)由于假定大橋樁基為嵌巖樁,計算分析必定會出現(xiàn)負摩阻力.不過,由負摩阻力分布可見,最大負摩阻力僅為10.2 kPa,因此對大橋樁基的影響甚微.

(3)由彈塑性和彈性數(shù)值分析表明,1#樁的樁頂沉降分別為1.9和1.2 mm,沉降非常小,這也表明作用在1#樁上的負摩阻力可忽略不計.

他被她溫熱的氣息喚醒，如同搖籃里的嬰兒，緩緩睜開眼睛，看著她光潔如玉的臉龐，紅若櫻桃的小嘴，緩緩俯下身子探了下來。鼻息暖暖的，噴到了他臉上，然后是兩片薄薄的、帶著清涼的唇，那么倔強地一點點壓下來，柔軟的舌頭舔著他臉上的血跡。

因此,由圍堤對大橋樁基引起的負摩阻力可忽略.

4.2 側向推力影響分析

圖7～圖9為大橋橋墩樁基的側向應力沿深度分布曲線.圖6表明,由兩種方法得到大橋橋墩1#樁樁周土體最大附加側向應力比較吻合.總的來看,彈塑性分析中側向應力在上部較大,在下部較小.

圖7 1#樁側向應力沿深度分布

圖8 1#樁σx沿深度分布

圖9 1#樁σy沿深度分布

圖8、圖9表明,彈塑性分析結果與較大β值對應的側向應力比較一致,而彈性分析結果與較小 β值對應的側向應力一致.因此在工作荷載條件下,較大β值或采用彈塑性分析得到的側向應力較準確.

x和y方向最大側向應力分別為66.1 kPa和64.7 kPa,發(fā)生深度在17～32 m范圍內(nèi).由于在3 d(d為樁徑),即約6 m深度以下的土體抗力較大,如黏土抗力可達到9 Su(其中Su為黏土的不排水剪強度).因此相對于土體極限抗力而言,推力很小.

由于推力相對于土體極限抗力很小,大橋橋墩1#樁x方向的最大側向變形僅為15 mm(約0.75%d),y方向的最大側向變形僅為6 mm(0.3%d),遠小于側向受荷樁的允許變形(5%～10%)d,并且發(fā)生深度在17～32 m范圍內(nèi),對大橋運營影響有限.值得說明的是,盡管y方向一側的側向應力比x方向大,但由于主圍堤沿樁軸線對稱分布,兩側主圍堤引起y方向的應力互相抵消,導致y方向變形和彎矩較小.

5 結 論

本文采用樁承式圍堤樁筏基礎的簡化分析方法,對嘉興港海鹽港區(qū)圍堤與杭州灣跨海大橋的穿越段樁筏基礎進行了理論分析,并采用三維彈性數(shù)值方法模擬了嘉興港海鹽港區(qū)圍堤對杭州灣跨海大橋產(chǎn)生的負摩阻力和側向推力.通過上述3種方法的分析比較,結果表明:

(1)樁承式圍堤通過降低圍堤或地面堆載等荷載條件,并使得圍堤的荷載主要由樁基承擔,圍堤荷載通過樁基傳遞到深部土層,從而能有效降低圍堤堆載對鄰近橋梁樁基的影響.

(2)在負摩阻力影響分析上,兩種分析方法得到的大橋橋墩1#樁樁周土體最大附加豎向應力/自重應力分別為7%和9%,均小于10%,因此可認為沿大橋基樁長度內(nèi),土體沉降和負摩阻力可忽略.

(3)兩種分析方法計算得到的大橋橋墩1#樁樁周土體最大附加側向應力比較吻合.彈塑性分析結果與較大β值對應的側向應力比較一致,而彈性分析結果與較小β值對應的側向應力一致.因此在工作荷載條件下,較大 β值或采用彈塑性分析得到的側向應力較準確.

(4)本文采用的簡化分析方法與彈性和彈塑性三維數(shù)值模擬結果吻合較好,可作為樁承式圍堤結構基礎的分析和設計方法.計算成果可為工程設計提供理論的指導,作為類似工程的參考分析.

[1]楊 敏,朱碧堂,陳福全.堆載引起某廠房坍塌事故的初步分析[J],巖土工程學報,2002(7):446-450.

[2]朱碧堂,吳興龍,楊 敏,等,樁承式圍堤對鄰近橋梁樁基的影響[J],巖土工程學報,2007(7):1009-1017.

[3]中華人共和國建設部.GB50007-2002建筑地基基礎設計規(guī)范[S].北京:中華人共和國建設部,2002.

[4]POULOS H G,DAVIS E H.Elastic solutions for soil and rock mechanics[M].John Wiley and Sons,Inc.,New York,1973.

[5]中國建筑科學研究院.JGJ94-94建筑樁基技術規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1995.