傾斜地基橋臺樁基加固的有限元分析

■ 陳朝栩

(1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省路翔工程設(shè)計有限公司；3.福建省公路工程試驗檢測中心站，福州 350004)

傾斜地基橋臺樁基加固的有限元分析

■ 陳朝栩1，2，3

(1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省路翔工程設(shè)計有限公司；3.福建省公路工程試驗檢測中心站，福州 350004)

針對山區(qū)某高速公路上某傾斜地基上的橋臺，基于MIDAS/GTS NX大型巖土有限元分析軟件，建立考慮巖土體與樁土接觸特性的傾斜地基—橋臺—樁模型，對傾斜地基上橋臺施工過程進(jìn)行了有限元模擬，分別對樁基加固前、后計算工況進(jìn)行分析。結(jié)果表明：采用樁基加固后，橋臺的沉降變形明顯降低，降低幅度超過70%；最內(nèi)側(cè)樁的彎矩隨著后緣堆土施工及土坡坡面頂部加載呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，且最大樁身彎矩值的增幅約在10%～20%之間。

樁基 軟巖 橋臺基礎(chǔ) 有限元分析

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速的發(fā)展，交通建設(shè)得以大力開展，尤其是山區(qū)高速公路的建設(shè)。山區(qū)地基因強(qiáng)度較低而出現(xiàn)不均勻沉降，導(dǎo)致建設(shè)的工程發(fā)生基礎(chǔ)斷裂、傾斜、地基滑動等事故[1]。在山區(qū)高速公路的建設(shè)中，為滿足總體路線設(shè)計要求，傍山公路及傍山隧道逐步增多，常采用橋梁和隧道對公路進(jìn)行連接，其中，路橋連接中涉及到橋臺加固施工，且橋臺樁基礎(chǔ)常坐落于傾斜的地基，應(yīng)當(dāng)對該問題進(jìn)行重視。

在山區(qū)公路建設(shè)中兩類典型的低強(qiáng)度傾斜地基十分常見，一種是斜坡軟土，另外一種是松散的巖堆坡地。從力學(xué)角度分析，軟土地區(qū)橋臺路基填土?xí)r，橋臺基樁彎矩及樁側(cè)負(fù)摩阻力因填土高度及施工順序不同而改變，橋臺基樁彎矩對橋臺樁基側(cè)向影響主要集中在過渡段填筑期[2-3]，此時臺后路基荷載會使地基軟弱下臥層發(fā)生壓縮和水平移動，致使橋臺樁基的受力性狀十分復(fù)雜[4]?；谟邢拊治?，傾斜軟弱地基的破壞模式為沿地基傾斜方向向下滑裂破壞，在填土荷載作用下地基失穩(wěn)的可能性更大[5]。有限元方法一定程度上反映土體的本構(gòu)關(guān)系，可以采用有限元方法來評價傾斜軟弱地基填方工程在應(yīng)用樁基礎(chǔ)前、后的安全性。

本文針對福建某高速公路中的某橋臺基礎(chǔ)，基于MIDAS/GTS NX大型巖土有限元分析軟件，建立考慮巖土體與樁土接觸特性的傾斜地基-橋臺-樁模型，研究了傾斜地基上橋臺樁基加固的效果。

2 工程概況

該模型(圖1)由相互不同的3個地層和鄰接傾斜地基的橋臺基礎(chǔ)及樁組成。本案例基于堆土體施工及荷載加載的施工階段進(jìn)行分析。

在6.4m×10m的基礎(chǔ)板上端建立橋臺，在堆土體上部把 100kN/m2的荷載分成5個階段加載，分析在每一階段的橋臺水平位移及沉降趨勢。同時在基礎(chǔ)下部添加20個規(guī)格為600 mm×12mm的鋼管樁，并分析其對基礎(chǔ)沉降的影響，生成2個計算工況：樁基礎(chǔ)加固前、樁基礎(chǔ)加固后，以此來判斷樁基礎(chǔ)的適用性。

圖1 模型示意圖

3 計算模型

3.1 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

圖2和圖3為模型的三維網(wǎng)格劃分圖，網(wǎng)格最大尺寸設(shè)為1m。其中巖土體采用實體單元建模，樁和樁土接觸界面采用梁單元，作為抗拉壓、抗剪切、抗扭轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可以定義樁界面周圍和樁端上的剛度，以確定樁與相鄰?fù)馏w的摩擦行為和相對位移。

圖2 模型整體三維網(wǎng)格劃分示意圖

圖3 樁三維網(wǎng)格劃分示意圖

3.2 材料參數(shù)

巖土體采用摩爾庫倫模型，橋臺和樁采用線彈性模型，具體參數(shù)如表1所示。樁土接觸界面的剪切剛度模量為50000kPa，剪切剛度模量為500000kPa。

表1 巖土體與結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

3.3 邊界條件

樁單元約束Rz自由度，以防止自由度約束不足的錯誤發(fā)生。模型底部邊界約束豎向位移，模型前后方向約束x方向位移，模型左右約束y方向位移。

3.4 計算工況

為模擬該橋臺基礎(chǔ)施工過程，定義了2種計算工況，即未考慮樁基礎(chǔ)加固的施工工況和考慮樁基礎(chǔ)加固的施工工況。

施工步驟如下：

(1)地應(yīng)力分析，計算在施工前原場地的應(yīng)力初始分布。在此階段，原始巖層由于重力產(chǎn)生的變形清零，即只考慮施工以后產(chǎn)生的變形。該步驟對應(yīng)軟件中的施工分析步1。

(2)開挖基礎(chǔ)，用于橋臺施工。該步驟對應(yīng)軟件中的施工分析步2。

(3)對于未加樁時，僅對橋臺及承臺施工，采用混凝土澆筑橋臺和承臺；對于加樁工況，對橋臺、承臺及樁基礎(chǔ)進(jìn)行施工。該步驟對應(yīng)軟件中的施工分析步3。

(4)橋臺后緣堆土路基施工。該步驟對應(yīng)軟件中的施工分析步4。

(5)路基上部堆載施工。該步驟對應(yīng)軟件中的施工分析步 5、6、7、8、9。

4 計算結(jié)果分析

4.1 橋臺水平位移

針對兩種計算工況，給出模型的水平位移云圖，從圖4(a)、(b)可看出，加樁前水平位移最大的位置出現(xiàn)于坡面處，而加樁后水平位移最大位置向內(nèi)部移動。

圖4 橋臺水平位移云圖

4.2 橋臺沉降

圖5為橋臺頂部節(jié)點(diǎn)沉降隨施工步驟的變化曲線，隨著施工過程的進(jìn)行，橋臺的沉降量逐漸增大，在2、3、4分析步中沉降占主要部分。從圖中可觀察到，加樁后橋臺的沉降明顯降低。

圖5 橋臺頂部節(jié)點(diǎn)沉降隨施工步驟的變化曲線

從圖6(a)和(b)可發(fā)現(xiàn)，在施工結(jié)束后，加樁后橋臺頂部節(jié)點(diǎn)的沉降變形從5.6cm降至1.6cm，橋臺外側(cè)節(jié)點(diǎn)沉降變形從4.9cm降至1.1cm，降低幅度超過70%。

圖6 橋臺沉降云圖

4.3 承臺內(nèi)力分析

加樁前后的承臺基礎(chǔ)板的彎矩(x方向)如圖7所示，對于未加樁時的承臺，其彎矩為“+”值，而加樁后，承臺彎矩的方向發(fā)生改變，為“-”值。說明樁基加固的效果顯著。

圖7 承臺彎矩

4.4 樁身分析

沿x方向，給出中間一排樁的變形云圖，如圖8所示，水平位移最大值出現(xiàn)在最內(nèi)側(cè)樁頂部位，大小為4.58cm，豎向位移最大值也出現(xiàn)于此處，大小為0.46cm。

圖8 樁體變形云圖

樁身內(nèi)力云圖分布見圖9，樁身軸力分布均是中間大、兩端小，最大軸力出現(xiàn)于最內(nèi)側(cè)樁中部，大小為883kN。樁身彎矩分布如圖9(b)所示，最大彎矩值出現(xiàn)于最內(nèi)側(cè)樁中部，大小為324kN·m。

圖9 樁身內(nèi)力云圖

為了解施工過程中樁身的內(nèi)力變化，以最內(nèi)側(cè)樁為例，給出樁身彎矩隨施工過程變化曲線，見圖10。從圖中可知，在樁基礎(chǔ)施工結(jié)束時(施工步3)，彎矩值很小，可以忽略不計，隨著后緣堆土施工及土坡坡面頂部加載(施工步4～9)，樁身彎矩逐漸增大，最大彎矩出現(xiàn)于樁身1/4處，即風(fēng)化巖層處。且最大樁身彎矩值的增幅分別為19.06%、17.93%、16.89%、15.75%、14.66%， 呈線性增長趨勢，最終彎矩值達(dá)到324kN·m。

圖10 最內(nèi)側(cè)樁身彎矩隨施工過程變化曲線

5 結(jié)論

本文針對某高速公路中的橋臺基礎(chǔ)，采用有限元分析方法，建立了考慮巖土體與樁土接觸特性的傾斜地基-橋臺-樁模型和未設(shè)樁的模型，通過計算，分析了傾斜地基上橋臺樁基加固的效果。得到以下結(jié)論：

(1）在樁基加固后，橋臺的水平位移變化不太明顯，但橋臺的沉降降低幅度超過70%，承臺的彎矩從正值變?yōu)樨?fù)值，加固效果明顯。

(2)對橋臺進(jìn)行樁基加固后，樁身最大水平位移4.58cm，豎向位移0.46cm，最大軸力為883kN，最大彎矩為 324kN·m。

(3）最內(nèi)側(cè)樁的彎矩隨著后緣堆土施工及土坡坡面頂部加載(施工步4～9)逐漸增大，最大彎矩出現(xiàn)于樁身1/4處，即風(fēng)化巖層處；且最大樁身彎矩值的增幅分別為19.06%、17.93%、16.89%、15.75%、14.66%， 最終最大彎矩值達(dá)到324kN·m。

[1]石常青.山區(qū)巖土地基與處理分析[J].改革與開放，2011，(16)：185.

[2]聶如松，冷伍明，律文田.軟基臺后路基填土對橋臺樁基側(cè)向影響的試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2005，(12)：1487-1490.

[3]陳雪華，律文田，王永和.臺后填土對橋臺樁基的影響分析[J].巖土工程學(xué)報，2006，(07)：910-913.

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[5]劉金龍，陳陸望，汪東林.基于傾斜軟弱地基的填方工程特性分析[J].巖土力學(xué)，2010，(06)：2006-2010.