武漢鸚鵡洲長江大橋1＃墩群樁承載特性分析

時一波，萬昌中，何少華，熊 浩，鄧友生

（1中鐵大橋局集團(tuán)第六工程有限公司，湖北 武漢430100；2湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430068）

群樁基礎(chǔ)具有承載能力高、穩(wěn)定性好、沉降小而均勻、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作橋梁樁基［1］.群樁基礎(chǔ)的橋梁結(jié)構(gòu)中，較大的基礎(chǔ)沉降會引起橋梁線形變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力的改變，危及整個結(jié)構(gòu)的安全，其沉降及承載特性是人們關(guān)注的重點(diǎn).群樁基礎(chǔ)沉降問題是一個承臺、群樁、土共同作用的問題，其受力狀態(tài)非常復(fù)雜，荷載傳遞過程受樁的類型、樁的設(shè)置方式、土的特性等許多因素的影響［2］.現(xiàn)工程中常用的計算方法有等代墩基法、效率系數(shù)法、彈性理論法、剪切位移法等，這些方法在計算時各有優(yōu)缺點(diǎn)，但對上述影響因素的反映都不夠全面和完善.近年來，隨著有限元數(shù)值分析求解技術(shù)的應(yīng)用日益成熟，在處理大量的復(fù)雜實(shí)際工程問題時都取得了較好的成果，因而得到了日益廣泛的重視［3－6］.

本文利用美國大型商業(yè)通用計算軟件ADINA，采用三維彈塑性接觸非線性有限元方法，對鸚鵡洲長江大橋北塔（漢陽側(cè)）群樁基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值計算，對群樁在荷載條件下的豎向位移分布，以及樁周土體參數(shù)對樁基承載特性的影響進(jìn)行了深入分析.

1 工程概況

武漢鸚鵡洲長江大橋?yàn)槲錆h新環(huán)線主要工程，大橋?yàn)槿目纾?00m＋850m＋850m＋200m）懸索橋形式.北塔柱全高126.2m，基礎(chǔ)采用低樁承臺，承臺下為44根2.0m鉆孔灌注樁，鉆孔樁沿縱橋向12排、沿橫橋向5排，樁間距為5.5m，樁底高程－68.5m、樁長75.0m，樁基布置見圖1.

圖1 1＃墩主塔樁基礎(chǔ)布置

2 三維數(shù)值模擬方法

2.1 地質(zhì)特征和計算參數(shù)選取

工程場區(qū)地層主要有第四系全新統(tǒng)沖積層、志留系～三疊系的砂巖、泥巖、灰?guī)r、白云巖等.其中，第四系地層表部為硬塑狀粘性土，其下為軟塑狀粘性土及松散～中密狀細(xì)砂，底部為密實(shí)狀細(xì)中砂，局部為密實(shí)狀圓礫土.基巖中：泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，質(zhì)軟、裂隙發(fā)育，泡水易軟化；灰?guī)r及白云巖巖質(zhì)硬，巖 溶發(fā)育，賦存巖溶水，具體地質(zhì)特征見表1.

表1 1＃墩巖土體工程地質(zhì)特征

在計算時根據(jù)上述各土層性質(zhì)，將地質(zhì)層簡化為兩層，上部主要為黏土和砂層，承載性能較差，性質(zhì)相似；下部為圓礫土和風(fēng)化巖層，承載性能較好.土層及樁的具體材料參數(shù)見表2.

表2 模型材料參數(shù)

2.2 模型的選用及網(wǎng)格劃分

由于樁、承臺的剛度較土體剛度大很多，在計算過程中假定樁體、承臺始終處于彈性狀態(tài)，采用線性彈性空間4節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元來模擬；近域土體采用Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則.模型按1∶1的比例進(jìn)行建模分析，土層一、二分別厚40m、50m.由于該模型為對稱模型，故建模時，僅選取其中一半進(jìn)行建模.

考慮到既減少計算量同時避免邊界條件對計算結(jié)果精度產(chǎn)生影響，模型長寬均取50m.計算中荷載與樁頂設(shè)計承受荷載相同，均為46MN，計算荷載分10個等分步逐步加載.土層的變形靠近樁側(cè)較大，在劃分網(wǎng)格時模型外側(cè)土層劃分長度取4m，樁土接觸面處則以1m為單位進(jìn)行劃分.承臺的劃分長度為2m，樁身劃分單位1m.所有劃分單元均采用空間四面體實(shí)體單元.模型網(wǎng)格圖見圖2和圖3.

3 計算結(jié)果

3.1 樁基沉降與應(yīng)力分布

圖4、圖5分別為樁身沉降分布和豎向應(yīng)力分布圖，如圖可知啞鈴型群樁基礎(chǔ)的沉降中間較兩側(cè)大，這說明群樁基礎(chǔ)中，內(nèi)側(cè)樁基所承擔(dān)的荷載較兩側(cè)樁基大.樁基最大位移為185.8mm，樁基最小位移136.8mm，樁身壓縮量為9.36mm.樁身的豎向應(yīng)力則是沿樁身逐漸遞減的，當(dāng)荷載作用時，樁身會與土體發(fā)生相對位移，土體對樁身的摩阻力會阻礙樁身向下的運(yùn)動趨勢，同時減小樁身的豎向應(yīng)力.同時還可以發(fā)現(xiàn)，樁端的應(yīng)力變化梯度大，樁端的受力狀態(tài)復(fù)雜，由于該樁為摩擦樁，可以看到樁端的應(yīng)力明顯小于樁頂.

圖6為樁基最大沉降與加載步之間的關(guān)系，可發(fā)現(xiàn)在加載前期樁基最大位移與樁頂荷載呈線性關(guān)系，這說明在加載前期樁周土體處于彈性狀態(tài).當(dāng)荷載加大，樁周土體逐漸發(fā)生塑性破壞，樁基沉降速度加快.

圖6 群樁基礎(chǔ)荷載－沉降關(guān)系曲線

3.2 土體特性與群樁基礎(chǔ)承載特性分析

樁周土體性質(zhì)對樁的承載特性影響很大，在計算過程中，將土體定義為一種材料，在土體其他參數(shù)不變的情況下，依次改變土體彈性模量、粘聚力和內(nèi)摩察角三個重要參數(shù)，計算了這三個因素的改變對群樁承載力的影響.

依次取樁周土體彈性模量26MPa、27MPa、28 MPa、29MPa進(jìn)行分析，依據(jù)計算結(jié)果繪制樁身沉降與樁周土體彈性模量之間的關(guān)系圖，如圖7，可發(fā)現(xiàn)隨著樁周土體彈性模量的增加，樁基的沉降減小，在樁周土體處于彈性狀態(tài)時，這種變化趨勢不明顯.隨著時間步距的增加，樁頂荷載增加，樁頂荷載逐漸出現(xiàn)差別.隨著樁周土體彈性模量的增加，樁頂?shù)淖罱K荷載逐漸減小，樁周土體彈性模量26MPa、27 MPa、28MPa、29MPa對應(yīng)的樁頂最大豎向位移分別為153.7mm、148.4mm、143.4mm、138.7mm.

圖7 樁身沉降與樁周土體彈性模量的關(guān)系曲線

依次取樁周土體粘聚力為20kPa，30kPa，40 kPa，50kPa，依據(jù)計算結(jié)果繪制樁身位移與樁周土體粘聚力之間的關(guān)系，如圖8，在開始階段樁身位移基本相當(dāng)，且不同粘聚力對應(yīng)的樁頂位移是基本相等的.隨著時間步距的增加，樁頂荷載增加，樁頂荷載逐漸出現(xiàn)差別.隨著粘聚力的增加，樁頂?shù)淖罱K荷載逐漸減小，粘聚力20kPa時對應(yīng)的最大沉降量為228.4mm，粘聚力50kPa時對應(yīng)的最大沉降量為145.2mm.粘聚力越大樁土接觸面處越是不易出現(xiàn)塑性破壞，樁基的最大承載力也將變大.

圖8 樁身沉降與樁周土體粘聚力的關(guān)系曲線

在其他參數(shù)不變的情況下計算樁周土體內(nèi)摩擦角與樁基承載特性之間的關(guān)系，依次取樁周土體內(nèi)摩擦角5°、10°、15°、20°進(jìn)行分析.依據(jù)計算結(jié)果繪制樁身位移與樁周土體內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系（圖9）.

圖9 樁身沉降與樁周土體內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線

由圖9可看出，在加載初期，樁頂位移與樁頂荷載之間基本呈線性關(guān)系，且不同內(nèi)摩擦角對應(yīng)的樁頂位移也基本相當(dāng).內(nèi)摩擦角5°、10°、15°、20°對應(yīng)的樁頂最大位移分別是232.1mm、211.9mm、183 mm、162.3mm，內(nèi)摩擦角越大，樁身位移拐點(diǎn)對應(yīng)的樁頂荷載越大，也就是說樁基最大承載力隨著內(nèi)摩擦角的增大而增大.

4 結(jié)論

1）在本工程群樁基礎(chǔ)沉降計算中，由于啞鈴型承臺兩塔柱中間部分承擔(dān)的荷載較周圍大，其計算值的大小分布并不均勻；該樁為摩擦樁，樁端應(yīng)力明顯小于樁頂，樁身的豎向應(yīng)力則是沿樁身逐漸遞減的，樁端的應(yīng)力分布復(fù)雜，變化梯度大.

2）樁周土體彈性模量、粘聚力和內(nèi)摩擦角的增加，均能增加樁基承載能力.隨著上述土體參數(shù)的增加，位移曲線拐點(diǎn)所對應(yīng)的荷載增大，樁基最大沉降量減小，上述參數(shù)最大取值較最小取值時最大沉降量分別減小9.8%、36.4%、30.0%.

［1］鄭培云.大直徑超長灌注樁群樁基礎(chǔ)沉降的三維非線性有限元分析［D］.南京：河海大學(xué)圖書館，2005.

［2］鄧友生，龔維明，袁愛民.超長大直徑群樁沉降計算方法探討［J］.鐵道學(xué)報，2007，29（4）：87.

［3］許江波，鄭穎人，趙尚毅，等.有限元與極限分析法計算樁后推力的分析與比較［J］.巖土工程學(xué)報，2010，32（9）：1 380－1 385.

［4］夏力農(nóng)，苗云東，談鐵強(qiáng).帶承臺群樁負(fù)摩阻力性狀的三維有限元分析［J］.巖土力學(xué)，2012，33（3）：887－882.

［5］汪 優(yōu)，劉建華，王星華.軟土地層橋梁群樁基礎(chǔ)樁土共同作用性狀的非線性有限元分析［J］.巖土力學(xué)，2012，33（3）：945－951.

［6］鄧友生，龔維明.蘇通大橋主塔超大群樁基礎(chǔ)沉降特性研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2008，30（7）：66－70.