超深軟土地區(qū)樁基偏位復(fù)位受力分析

賀永明,田世清,李冀,王俊新,石慶凡

(1.四川交投建設(shè)工程股份有限公司,四川成都 610047;2.重慶橋都橋梁技術(shù)有限公司,重慶 401147)

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超深軟土地區(qū)樁基偏位復(fù)位受力分析

賀永明1,田世清2,李冀2,王俊新2,石慶凡2

(1.四川交投建設(shè)工程股份有限公司,四川成都 610047;2.重慶橋都橋梁技術(shù)有限公司,重慶 401147)

摘要:結(jié)合珠海金灣互通立交樁基偏位工程實(shí)例,對其墩身及樁基偏位原因進(jìn)行分析,利用有限元分析軟件對超深樁基偏位進(jìn)行實(shí)際工況模擬,提出墩頂頂推、樁基旋噴固化及液化的復(fù)位方案,經(jīng)過實(shí)際施工取得明顯的糾偏效果,為超深軟土樁基的復(fù)位提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞:橋梁;超深軟土地基;糾偏;受力分析

在中國沿海地區(qū)淺部土層中分布著數(shù)十米不等的淤泥質(zhì)土和淤泥等軟弱土層,橋梁基礎(chǔ)多采用樁基礎(chǔ),樁身采用鉆孔灌注法施工,具有操作機(jī)械化程度高、施工工期短、承載力高等特點(diǎn)。但樁基施工質(zhì)量不好、樁基旁超堆載、土方開挖不當(dāng)時(shí)會(huì)引起樁身傾斜,進(jìn)而帶動(dòng)上部墩身偏移、偏位、斷裂等。因此,分析超深軟基產(chǎn)生偏位、傾斜的原因,提出合理的糾偏方法及措施具有重要意義。

1 工程概況及地質(zhì)分布

金灣互通立交位于珠海市金灣區(qū),上部結(jié)構(gòu)為(24+35+24)m預(yù)應(yīng)力砼現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋,下部結(jié)構(gòu)為柱式橋墩、鉆孔樁基礎(chǔ)。墩高約13 m,墩徑1.4 m;樁長約57 m,樁徑1.6 m。樁基砼為C35,墩柱砼為C40。根據(jù)巖土勘察報(bào)告,17#樁基礎(chǔ)地層概況見表1。

表1 工程地質(zhì)分布

2014年10月,在該工程交工驗(yàn)收檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)17#墩的2個(gè)墩柱在縱橋向朝上坡方向出現(xiàn)傾斜,支座頂板和支座之間的相對滑移量約16 cm,四氟滑板外露且被剪切破壞;墩柱縱橋向垂直度約為0.4%,墩柱與地面交界處下坡側(cè)出現(xiàn)環(huán)向裂縫(見圖1)。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,該墩支座安裝水平度基本滿足規(guī)范要求。該墩右后側(cè)為B匝道路基,填土高度約2 m;前側(cè)有溝渠,溝渠深度約6 m。

圖1 17#墩身偏移情況

2 偏位原因分析

17#橋墩出現(xiàn)縱橋向朝上坡偏移的現(xiàn)象,是由于這個(gè)方向的水平力在推動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,造成偏位的主要原因可能為:

(1)由于墩身左側(cè)溝渠開挖造成的不平衡土壓力引起水平力。

(2)樁基礎(chǔ)及橋墩大量堆載,在溝渠開挖時(shí),將填土大量堆積在墩柱下坡側(cè),樁基長期處于較大土側(cè)壓力狀態(tài),雖然后期將填土移走,但長期雨水滲透壓力作用致使土體深層滑動(dòng),樁基最終發(fā)生偏位。

(3)橋梁溫差產(chǎn)生收縮力。

2.1 土壓力計(jì)算

按照J(rèn)TG D60-2004《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》,在有汽車荷載作用時(shí),該工程土壓力Ea按下式計(jì)算:

式中:γ為重度,取17 k N/m3;H為溝渠深度,H= 6 m;B為橋墩計(jì)算寬度,B=2.34 m;h為汽車荷載等代高度,h=3.91 m;μ為主動(dòng)土壓力系數(shù),μ= 0.395。

荷載作用點(diǎn)位于距離溝渠底部H/3位置處(見圖2)。

圖2 樁基承受土壓力示意圖(單位:m)

2.2 偏移原因模型受力分析

考慮到該樁基礎(chǔ)為摩擦樁,入土深度為57 m,需考慮土體對樁身的橫向約束效應(yīng)。墩身及樁基受到土體側(cè)向壓力時(shí),整個(gè)樁基就類似于一個(gè)彈性地基梁(見圖3)。

圖3 樁基等效連續(xù)地基梁模型

側(cè)向土彈簧的剛度計(jì)算:各節(jié)點(diǎn)處的集中彈簧支撐剛度Ki為:

式中:(ΔSi-1+ΔSi)/2表示節(jié)點(diǎn)相鄰兩單元的長度和的一半;b1為樁基的計(jì)算寬度;Ci=mhi,表示地基土對樁柱側(cè)面的地基抗力系數(shù)(見表2);土層m值參照J(rèn)TG D63-2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和水平抗力比例系數(shù)的反分析法確定,溝渠高度范圍內(nèi)的m值進(jìn)行一定折減;hi為各樁基節(jié)點(diǎn)位置入土深度。

表2 地基水平抗力系數(shù)

根據(jù)造成17#墩墩柱偏位的主要作用力,利用MIDAS/Civil建立橋墩及樁基受力模型(見圖4),土彈簧用節(jié)點(diǎn)彈性支撐來模擬,墩柱及樁身此時(shí)受到上部傳至墩頂?shù)呢Q向力和側(cè)向土壓力及自重。計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖4 模型工況圖(單位:k N)

圖5 墩柱及樁基單獨(dú)在土壓力作用下的變形(單位:mm)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,墩柱前期在土壓力作用下墩頂偏移可達(dá)9.7 cm,支座頂板與支座之間的相對滑移量約16 cm,比土壓力作用下墩柱偏移計(jì)算值大。其原因是土壓力作用下,支座頂板相對滑移量已接近設(shè)計(jì)限值10 cm,考慮支座安裝誤差及梁體在溫度降低時(shí)向16#墩方向收縮等共同影響,支座頂板此時(shí)已滑入四氟滑板內(nèi),對四氟滑板形成壓縮、推擠,使梁體收縮引起的支座滑移值得不到恢復(fù)而持續(xù)增大,推動(dòng)墩柱持續(xù)偏移(見圖6)。

圖6 支座偏位原因分析

綜合分析認(rèn)為,造成墩柱初始偏移的原因是土壓力,橋墩偏移帶動(dòng)支座產(chǎn)生與梁體及支座頂板之間的相對滑移,當(dāng)相對滑移量超過允許滑移量時(shí),溫度升高,梁體變形伸長對支座及墩柱持續(xù)產(chǎn)生向上坡方向的推力,推動(dòng)墩柱持續(xù)偏移,偏移越來越嚴(yán)重。

3 復(fù)位方法

17#墩墩頂偏移量已嚴(yán)重超過規(guī)范要求,必須對墩柱及樁基進(jìn)行糾偏處理。向上坡側(cè)進(jìn)行復(fù)位需克服墩頂支座的摩擦力和樁基不平衡土壓力及土體的約束力。由于17#墩墩柱和樁基在土壓力作用下產(chǎn)生了偏移,樁基部分變形已被土體約束,在對墩柱進(jìn)行水平頂推復(fù)位時(shí),樁基同時(shí)向傾斜的反方向位移,使土體受壓,被動(dòng)土壓力作用于樁基,阻止樁基復(fù)位。另外,由于該墩樁基深入土體較長,受到土體側(cè)向約束力較大,樁身的剛度相對較小,若只在墩頂施加頂推力,會(huì)在土體約束變化較大處產(chǎn)生裂縫,并且因被動(dòng)土壓力的存在,在千斤頂卸荷后,糾偏的位移量還會(huì)部分反彈。因此,采用墩頂頂推、下坡側(cè)土體旋噴液化、上坡側(cè)土體旋噴固化相結(jié)合的方式進(jìn)行糾偏。

土體液化是在下坡側(cè)利用旋噴技術(shù)在淤泥層內(nèi)注入清水,液化能減小下坡側(cè)土體的水平抗力系數(shù),使頂推更容易進(jìn)行。上坡側(cè)土體旋噴固化起兩方面的作用:一方面能對樁邊界土產(chǎn)生擠壓力,對四周土產(chǎn)生壓密作用,能給樁身一個(gè)主動(dòng)側(cè)向壓力;另一方面,在旋噴固化結(jié)束后,能使部分漿液進(jìn)入土粒之間的空隙里,使固結(jié)體與四周土緊密相依,在溝渠側(cè)形成較強(qiáng)的土體約束,防止樁基在卸掉頂推力后出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。

初步擬定糾偏步驟為豎直同步頂升梁體→改造滑動(dòng)面→梁底安裝反力架→布置水平頂推系統(tǒng)→下坡側(cè)土體液化→水平同步頂推→上坡側(cè)旋噴固化施工→釋放水平頂推力→施工結(jié)束。

4 樁基及墩身復(fù)位模型分析

結(jié)合現(xiàn)場情況及施工工序建立受力模型。首先在墩頂位置施加141 k N頂推力,用于克服墩頂摩擦力(見圖7)。施加頂推力后的變形情況見圖8。

施加墩頂頂推力后,墩頂位移由原來的16 cm變化為7.5 cm?，F(xiàn)場檢測結(jié)果表明在墩頂施加147.7 k N頂推力時(shí),墩頂位移為8 cm,與計(jì)算結(jié)果較吻合。由于對下坡側(cè)土體進(jìn)行液化,該側(cè)土體的水平抗力系數(shù)取值應(yīng)有折減,其中淤泥的水平抗力系數(shù)取值和土體液性指數(shù)、含水率、樁的剛度和直徑有關(guān),當(dāng)樁直徑、剛度確定時(shí),液性指數(shù)、含水率越大,土體的抗力系數(shù)越小。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù),得出m=5 000/(w IL)(w為含水率;IL為液性指數(shù)),得到液化后淤泥土的m=2 100 k N/m4。

圖7 模型建立時(shí)初步工況(單位:mm)

圖8 施加頂推力后的變形情況(單位:mm)

在土體液化結(jié)束后對上坡側(cè)土體進(jìn)行旋噴固化施工。旋噴固化在整個(gè)淤泥層內(nèi)進(jìn)行,旋噴壓力為20 MPa。旋噴固化對樁基產(chǎn)生的側(cè)壓力根據(jù)旋噴位置距樁基的距離及旋噴固化噴頭直徑確定,墩身處壓力H=0.16dH0/L2.4(d為噴頭直徑;H0為旋噴處壓力;L為噴頭距樁身的距離),計(jì)算得樁身受到的旋噴壓力為110 k N/m。在樁頂以下30 m范圍內(nèi)施加110 k N/m的均布荷載,根據(jù)液化后土體的水平抗力系數(shù)和固化后施加的荷載建立模型,結(jié)果見圖9。

由圖9可知:通過處理,樁身及墩身大致恢復(fù)到偏位以前情況,最大偏移位置為7 mm,恢復(fù)效果良好,且墩柱未出現(xiàn)裂縫。

圖9 墩柱糾偏后的位移情況(單位:mm)

5 結(jié)論

該文結(jié)合金灣互通立交17#橋墩及樁基現(xiàn)場實(shí)際糾偏情況,利用MIDAS建立模型,分析了頂推及旋噴固化和液化的關(guān)鍵工況,得到以下結(jié)論:

(1)在淤泥質(zhì)軟土中的樁基礎(chǔ)或墩身由于不平衡壓力造成偏位時(shí),可采取頂推、旋噴固化和側(cè)面土體液化相結(jié)合的糾偏方法。

(2)當(dāng)樁身的相對剛度較小時(shí),應(yīng)考慮土體側(cè)向約束,具體約束系數(shù)可參照規(guī)范、通過反算法來確定。其中水平地基系數(shù)除與樁身剛度、直徑有關(guān)外,還和土體的含水率、液性指數(shù)有關(guān)。

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[3]曾勇,田世清,唐賜明.連續(xù)梁橋橋墩糾偏頂推受力分析[J].中外公路,2013,33(3).

收稿日期:2015-12-08

中圖分類號:U443.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0172-03