淺談橋梁初始缺陷基樁屈曲

王玉娟

(秦皇島市交通運(yùn)輸局)

1 基樁病害的成因

1.1 設(shè)計(jì)原因

如果樁距布置太密，在淤泥質(zhì)飽和軟土中，由于土的含水量高，孔隙比大，這會(huì)產(chǎn)生極大的擁土效應(yīng)，隨著土中孔隙水壓力增高，土體會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)、隆起、側(cè)移等現(xiàn)象，引起樁頂連同樁周土上抬，使未達(dá)終凝強(qiáng)度的鄰樁被拉伸、擠壓，使樁體產(chǎn)生局部錯(cuò)位、側(cè)移，形成基樁的初始彎曲;橋梁水文地質(zhì)設(shè)計(jì)與實(shí)際情況偏差較大，也可能使基樁產(chǎn)生病害。

1.2 施工不當(dāng)

在基樁成孔過(guò)程中，對(duì)鉆孔機(jī)械定位復(fù)測(cè)不及時(shí)，成孔不豎直，造成基樁傾斜;基樁在鉆孔或灌注混凝土?xí)r孔壁局部坍塌，使樁身混凝土成為不均勻的樁體，樁身有效軸線不在一條直線上，形成了樁身的初始彎曲。同時(shí)，所坍塌料沿孔壁下落，產(chǎn)生基樁縮頸。在基樁混凝土灌注時(shí)，混合料拌和不均勻，或者混合料劑量控制不準(zhǔn)而導(dǎo)致混凝土和易性差，使樁身局部不密實(shí);在打樁過(guò)程中地下水流從所成孔經(jīng)過(guò)，將混凝土局部沖走，只剩下砂和石料，造成樁身局部強(qiáng)度降低，這兩種情況均使基樁有效截面降低，即造成縮頸。在未達(dá)終凝的成樁場(chǎng)地上，由于偶然原因突然施加荷載，樁架會(huì)發(fā)生位移，有可能將未達(dá)終凝的樁在受到橫向或斜向推力的作用使基樁形成初始彎曲。

2 橋梁初始缺陷基樁的屈曲分析

2.1 非線性有限元屈曲分析方法

非線性屈曲分析是指在增量加載的過(guò)程中，將某個(gè)增量開(kāi)始時(shí)包含了以往加載歷史的各種非線性影響的切線剛度矩陣用于屈曲分析，提取結(jié)構(gòu)在施加到當(dāng)前荷載水平后進(jìn)一步發(fā)生失穩(wěn)時(shí)的特征值分析。

非線性屈曲分析是在線性分析基礎(chǔ)上，把增量非線性分析的有限元法與屈曲特征值問(wèn)題的求解相結(jié)合。增量的非線性有限元分析易于在剛度矩陣中積累加載過(guò)程中各種非線性因素的影響。在增量加載過(guò)程中，用包含加載過(guò)程中所有非線性的影響的剛度矩陣來(lái)評(píng)定屈曲特征值，由此求出的失穩(wěn)荷載無(wú)疑會(huì)更接近結(jié)構(gòu)的真實(shí)臨界荷載值。

非線性屈曲分析可以考慮以往加載歷史的影響;可以考慮非線性影響，包括材料非線性、幾何非線性、邊界條件非線性、預(yù)應(yīng)力等;可以考慮結(jié)構(gòu)的初始缺陷;可給出足夠準(zhǔn)確的失穩(wěn)荷載。對(duì)于一般的基樁來(lái)說(shuō)，基樁發(fā)生屈曲破壞時(shí)由于樁周土體的約束，屈曲破壞不可能是大撓度彎曲變形，因此采用非線性屈曲分析方法具有工程實(shí)際意義。

2.2 失穩(wěn)路徑的弧長(zhǎng)法

弧長(zhǎng)法是增量線性有限元分析中，沿著平衡路徑迭代位移增量的大小(也叫弧長(zhǎng))和方向，確定荷載增量的自動(dòng)加載方案。用于分析非線性的屈曲失穩(wěn)問(wèn)題。與特征值提法的屈曲分析相比，弧長(zhǎng)法分析屈曲問(wèn)題不僅僅考慮剛度奇異的失穩(wěn)點(diǎn)附近的平衡，而且通過(guò)追蹤整個(gè)失穩(wěn)過(guò)程中實(shí)際的荷載、位移關(guān)系獲得結(jié)構(gòu)失穩(wěn)前后的全部信息?；￠L(zhǎng)法可以追蹤屈曲后屈曲加載路徑，對(duì)分析極限荷載等問(wèn)題十分有效，可以考慮各種非線性以及組合非線性的影響(材料非線性、幾何非線性、邊界條件非線性等)。如果失穩(wěn)前后系統(tǒng)的非線性很強(qiáng)，弧長(zhǎng)法需要足夠小的荷載步長(zhǎng)才能準(zhǔn)確模擬失穩(wěn)路徑。因此計(jì)算效率不高。

失穩(wěn)路徑的弧長(zhǎng)法是求解包含各種非線性因素影響的力平衡方程的常用方法，是逐個(gè)加載增量步的求解非線性平衡方程，也就是說(shuō)在每個(gè)增量步內(nèi)按給定的荷載增量(荷載控制)或給定的位移量(位移控制)，迭代出系統(tǒng)的平衡方程。從而追蹤出結(jié)構(gòu)真實(shí)的加載路徑。

在增量加載分析中，按荷載控制的加載方式和位移控制的加載方式，有時(shí)不可相互替代。比如對(duì)結(jié)構(gòu)極限荷載的分析，由于極限荷載是未知量，采用荷載控制的加載方式按事先規(guī)定的荷載增量步長(zhǎng)加載時(shí)，一旦所施荷載大于結(jié)構(gòu)的極限荷載，就會(huì)使剛度矩陣奇異而不能求解。只有用足夠小的荷載增量逐漸逼近極限荷載，才能獲得極限荷載的近似值。但這需要多次復(fù)試算出合適的加載步長(zhǎng)，很不方便。對(duì)極限荷載問(wèn)題，采用位移控制的加載方式分析更為有效。

3 基樁屈曲計(jì)算及分析

3.1 基樁屈曲計(jì)算模型

有限元計(jì)算采用二維彈性單元模型，每個(gè)節(jié)點(diǎn)含X、Y方向兩個(gè)平移自由度和Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，能比較好地模擬真實(shí)情況。計(jì)算基樁屈曲時(shí)，假定所分析的基樁模型直徑為1m，長(zhǎng)為48m，其中入土深度達(dá)40m劃分為24個(gè)單元，彈性模量E=2.8×107KN/m2;在不考慮土體分層的情況下，各土層地基橫向反力系數(shù)均為500(即m=500);基樁按2m為一個(gè)計(jì)算單元。模型模似樁端的邊界條件為嵌巖，對(duì)樁端按固端約束來(lái)計(jì)算。

3.2 樁身發(fā)生傾斜時(shí)的屈曲分析

樁身發(fā)生傾斜時(shí)對(duì)基樁的屈曲有一定的影響，分別按樁身從地面處傾斜1°～5°進(jìn)行計(jì)算基樁的屈曲極限荷載。由計(jì)算結(jié)果可以看出，樁身傾斜時(shí)，基樁的極限屈曲荷載隨著基樁的傾斜角度大致呈線性降低，因此基樁的傾斜容易導(dǎo)致基樁發(fā)生屈曲破壞。

3.3 樁身有效截面減小時(shí)的屈曲分析

樁身存在的缺陷包括縮頸、蜂窩等對(duì)樁身的影響可能綜合反映到樁身的有效截面時(shí)，即不再分別考慮縮頸、蜂窩等，而只考慮存在缺陷處基樁半徑的大小。此分析分別按樁身半徑為0.9m、0.8m、0.7m、0.6m、0.5m 進(jìn)行計(jì)算，并且考慮到該截面發(fā)生的基樁的不同深度，由計(jì)算結(jié)果可以看出，基樁樁身存在的缺陷在土體深處時(shí)對(duì)基樁的極限屈曲荷載沒(méi)有太大的影響;并且當(dāng)樁身缺陷在地表時(shí)，隨著樁身有效截面的縮小，屈曲極限荷載降低較快。

4 結(jié)束語(yǔ)

基樁的屈曲分析相當(dāng)復(fù)雜而又具有實(shí)際工程意義，其影響因素眾多。盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)作了相應(yīng)的探討且取得了許多研究成果，但大多局限于對(duì)單質(zhì)基樁本身的屈曲研究，而未考慮基樁本身的傾斜、初始彎曲、施工缺陷等諸多特殊情況的影響。通過(guò)對(duì)橋梁基樁在初始傾斜、初始彎曲及初始缺陷等情況下的非線性屈曲分析，得出一些可用于指導(dǎo)工程實(shí)踐的重要結(jié)論。