橋梁樁基礎(chǔ)承載力特征研究

摘要：為了分析橋梁樁基礎(chǔ)承載力特征，文章通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)獲取5根樁的P-S曲線，并以5#樁為原型對(duì)比數(shù)值模擬模型設(shè)計(jì)、參數(shù)選取的合理性，兩種方法P-S曲線擬合程度較好;樁基礎(chǔ)承載力隨著軟土厚度增大、樁徑減小、樁長(zhǎng)減小而減小，其中極限承載力對(duì)樁徑敏感程度較高。

關(guān)鍵詞：橋梁樁基;數(shù)值模擬;樁基承載力;灰色關(guān)聯(lián)度

中圖分類號(hào)：U443.15文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst. 2019. 12. 031

文章編號(hào)：1673 - 4874（2019）12 - 0112 - 04

0引言

樁基礎(chǔ)是工程建設(shè)過(guò)程中一種常用的地基處理方法，研究樁基礎(chǔ)承載力特征對(duì)于樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、布置是十分重要的，尤其是針對(duì)地層類型多、強(qiáng)度參數(shù)差異較大的地層。目前，關(guān)于樁基礎(chǔ)承載力的研究主要有實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值分析法兩種。張東[1]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論分析以及數(shù)值模擬研究了天津某工程樁基礎(chǔ)承載力不足、變形過(guò)大的原因;張旭恒[2]使用PLAXIS 3D軟件研究動(dòng)荷載作用下群樁的受力和變形特征;李春[3]使用數(shù)值模擬方法驗(yàn)證溶洞對(duì)樁基承載力的削減作用;劉源等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，研究不同樁周土含水率對(duì)樁基承載力的影響。通過(guò)前述研究可知，除了樁基礎(chǔ)自身強(qiáng)度外，樁周巖土體也是影響其承載力的一個(gè)重要因素。

在修建橋梁的過(guò)程中，地基分布有較厚的軟土層，軟土處理不當(dāng)將會(huì)造成不可估量的后果。為了分析橋梁樁基礎(chǔ)的承載力特征以及控制軟土沉降的效果，本文以某橋梁修建樁基礎(chǔ)為例使用數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析。

1 地質(zhì)條件

地基巖土體類型是影響樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和最終變形結(jié)果的重要因素，因此，準(zhǔn)確查明巖土體類型、結(jié)構(gòu)是十分重要的。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，某橋梁樁基施工場(chǎng)地巖土體從上至下依次為：（1）硬殼層（0. 5～0.7 m厚）;（2）黏土（20～25.0m厚）;（3）淤泥質(zhì)土（18. 0～25.5 m厚）;（4）粉質(zhì)黏土（>10.5 m厚）。采用鉆孑L灌注樁。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，樁基礎(chǔ)基本特征見表1，樁基礎(chǔ)P-S曲線見圖1。從圖1可知，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果P-S表現(xiàn)為緩慢變化的特征，無(wú)沉降突然出現(xiàn)變化的現(xiàn)象，樁頂最大沉降值為48.2 mm，這表明該樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備較大。

2 數(shù)值模擬模型及參數(shù)

2.1 建立數(shù)值模擬模型

建立FLAC有限元數(shù)值模擬模型[6-8]，分析該橋梁樁基礎(chǔ)承載特征。模型設(shè)計(jì)水平方向>15D（D為樁基礎(chǔ)直徑0.7 m），樁底與模型底邊界距離≥0.7L（L為樁長(zhǎng)）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，建立模型地層從上至下依次為：硬殼層、黏土層、淤泥質(zhì)土層、粉質(zhì)黏土層。其中黏土層、淤泥質(zhì)土層呈軟～流塑狀態(tài)，中～高壓縮性;硬殼層厚度較薄，一般<1.0m，以粉質(zhì)黏土為主，密實(shí)度高，壓縮性低。建立數(shù)值模擬地層模型見圖2，計(jì)算參數(shù)見表2。

2.2 模型及參數(shù)合理性驗(yàn)證

根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果，建立數(shù)值模擬模型驗(yàn)證參數(shù)和模型設(shè)計(jì)的合理性，以5#樁作為數(shù)值模擬原型，將數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析模型、參數(shù)的合理性?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果P-S曲線對(duì)比見圖3。從圖中可知數(shù)值模擬計(jì)算P-S曲線與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果在形態(tài)、數(shù)值上差距較小，表明數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果較為可信，可使用數(shù)值模擬方法進(jìn)行多組試驗(yàn)，作為數(shù)據(jù)樣本的補(bǔ)充，研究不同軟土厚度、樁長(zhǎng)、樁徑對(duì)樁基承載力的影響。

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同軟土厚度樁基承載力分析

數(shù)值模擬方案一主要為了研究不同軟土厚度對(duì)樁基承載力特征的影響，不同計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果見下頁(yè)表4。繪制極限承載力與軟土厚度關(guān)系曲線（見圖4）。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)軟土厚度小于樁長(zhǎng)（L= 30 m）時(shí)，隨著軟土厚度的增加，樁基極限承載力以相對(duì)較快的速度減小;當(dāng)軟土厚度大于樁長(zhǎng)時(shí)，極限承載力衰減速率降低。當(dāng)軟土厚度小于樁長(zhǎng)時(shí)，極限承載力按照線性衰減，大于樁長(zhǎng)時(shí)，按照對(duì)數(shù)關(guān)系衰減。

3.2 不同樁徑樁基承載力分析

數(shù)值模擬方案二主要為了研究樁長(zhǎng)為30.0m時(shí)，不同樁徑、不同軟土厚度情況下的樁基極限承載力。計(jì)算結(jié)果見表5，關(guān)系圖見圖5。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，在軟土厚度小于樁長(zhǎng)時(shí)，樁徑越大，極限承載力隨著軟土厚度的增大衰減速率越大。這主要是因?yàn)闃稄皆酱螅瑯杜c樁周土的摩阻力越大，隨著軟土厚度的增大，樁周土摩阻力減小幅度也較小直徑樁基大。

3.3 不同樁長(zhǎng)樁基承載力分析

從表4、圖4可以得到，在軟土厚度、樁徑等條件一致的情況下，樁長(zhǎng)越大，樁基礎(chǔ)極限承載力越大。同時(shí)，樁長(zhǎng)與軟土厚度相等的數(shù)值是極限承載力值出現(xiàn)較大幅度提升的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

3.4 基于灰色關(guān)聯(lián)法影響因素重要程度分析

灰色關(guān)聯(lián)法是一種采用數(shù)學(xué)方法以解決系統(tǒng)工程的方法。灰色關(guān)聯(lián)法由鄧聚龍[7]首次提出，主要用于解決未知因素等科學(xué)問(wèn)題，在各行各業(yè)中有較為廣泛的應(yīng)用，如農(nóng)業(yè)[8]、災(zāi)害預(yù)警[9]、成本控制[10]等。采用灰色關(guān)聯(lián)度分析影響樁基承載力的3個(gè)因素：軟土厚度、樁長(zhǎng)、樁徑的敏感性。灰色關(guān)聯(lián)法計(jì)算過(guò)程如下：

樁基極限承載力作為參考列y，各影響因素為比較列X。

最后計(jì)算獲取不同影響因素對(duì)樁基承載力的敏感性t，0

經(jīng)過(guò)計(jì)算，各因素敏感程度大小如下：t樁徑>t軟土厚度>t樁長(zhǎng)。

4結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)P-S曲線可知，兩者在形態(tài)和數(shù)值方面誤差較小，可使用數(shù)值模擬結(jié)果作為數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。

（2）通過(guò)多組數(shù)值模擬結(jié)果可知，隨著樁長(zhǎng)的增加、樁徑的增加和軟土厚度的減小，樁基承載力增大。當(dāng)樁長(zhǎng)大于軟土厚度時(shí)，隨著軟土厚度的增加樁基承載力降低速度較快;當(dāng)軟土厚度大于樁長(zhǎng)時(shí)則下降速度降低。

（3）通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度分析，樁基承載力對(duì)各因素的敏感性程度為：樁徑>軟土厚度>樁長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]張東.單樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及樁端沉渣對(duì)單樁承載力的影響分析[D].北京：北京建筑大學(xué)，2019.

[2]張旭恒.低承臺(tái)樁基礎(chǔ)在水平荷載下的群樁效應(yīng)及動(dòng)力響應(yīng)分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2018.

[3]李春.巖溶區(qū)樁基極限承載力有限元上限分析[J].中外公路，2019，39（2）：28 - 32.

[4]劉源，徐同桐，趙憲鋒.樁周土含水率對(duì)三維碎石樁基承載力影響的實(shí)驗(yàn)[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，46（2）：249- 256.

[5]張穎，陳晨，王或佼，等.基于FLAG 3D對(duì)大連某工程 基承載力數(shù)值模擬研究[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2019，46（5）：65 - 71，85.

[6]邱瑞成，艾健森.基于FLAC 3D的單樁靜載模擬樁土接觸面參數(shù)敏感性研究[J].路基工程，2019（2）：164 -169.

[7]鄧聚龍.灰色系統(tǒng)綜述[J].世界科學(xué)，1983（7）：1 -5.

[8]唐桃霞，王致和，張秀華，等.河西地區(qū)不同甜葉菊品種的灰色關(guān)聯(lián)度綜合評(píng)價(jià)[J].中國(guó)糖料，2019（3）：49 - 53.

[9]董濤，金菊良，王振龍，等.基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)鏈?zhǔn)絺鬟f評(píng)估方法[J].災(zāi)害學(xué)，201 9，34（3）：227 - 234.

[10]王穎南，鄧奇根，劉明舉，等H2S脫除效率主控因素的廣義灰色關(guān)聯(lián)分析[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2019，1 5（6）：24-29.

作者簡(jiǎn)介：林喬（1974-），工程師，研究方向：公路路面大中修、橋梁維修管理。