荷載變化對樁基受力影響的技術(shù)研究

馮 彪 （中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

1 引言

樁基礎(chǔ)是橋梁工程中常見的基礎(chǔ)形式，軟土地基區(qū)域橋梁樁基受力影響因素多，為保證橋梁施工安全，樁基礎(chǔ)變形等需在允許范圍內(nèi)，確保有足夠的穩(wěn)定性，樁側(cè)摩阻力是摩擦樁的主要承力方式，是樁基的核心問題，樁側(cè)摩阻力大小對樁基的穩(wěn)定性起著決定性的作用，而因地面荷載、周圍土體自重等原因產(chǎn)生的樁負(fù)摩阻力，對樁基穩(wěn)定和安全帶來的不利影響，一定程度上造成了樁基沉降加大，尤其是軟土地基樁側(cè)負(fù)摩阻力影響更大。樁基受力情況隨荷載、深度等因素變化而變化，本文通過研究不同地面荷載級別和加載順序?qū)痘芰Φ挠绊懀源_保軟土地區(qū)樁基的承載力及偏移量控制在設(shè)計允許的范圍內(nèi)，保證高架橋的樁基施工質(zhì)量和安全。

2 工程簡介

沈海復(fù)線南黃段為設(shè)計時速100km/h的新建高速公路，工程多位于沖海積平原，地表為1～3m的可塑狀粉質(zhì)粘土，下部為軟土為海積淤泥、淤泥質(zhì)土，呈流塑，分布廣，厚度大含水量大特特點，高架橋樁基工程量大，且長大樁基多，地質(zhì)條件較復(fù)雜，施工難度大，其中最長樁基深度為131m，均為樁徑2.0m的鉆孔灌注樁。

3 樁基受力特性參數(shù)分析

樁基受力影響因素主要有荷載、樁基、土體3個方面，本文主要從這3個方面的因素著手，重點研究樁的軸力、樁側(cè)負(fù)摩阻力及位移變化情況。研究中充分利用PLAXIS有限元軟件進(jìn)行分析，建立仿真模型，分析不同工況下樁基受力特點，進(jìn)而得出相應(yīng)的分布規(guī)律。

3.1 計算方案

3.1.1 計算工況

本工程施工中未涉及到單樁受力，采用群樁受力，在研究過程中首先利用PLAXIS軟件建立33群樁計算模型，模型建好后，主要在承臺頂荷載級別、樁基間距、荷載施加順序上進(jìn)行分析。對樁體本身的一些影響因素暫不考慮，研究中采用群樁模型，從不同分析因素角度出發(fā)，選定取值范圍進(jìn)行模型計算，如表1所示。

3.1.2 材料參數(shù)

在進(jìn)行模擬時，樁長以20 m，樁徑以0.5 m，樁間距均以2倍樁徑進(jìn)行數(shù)值選取，樁基選取線彈性模型，有統(tǒng)一的模擬參數(shù)，承臺剛性按接近實際情況設(shè)定。最終在水平方向上取1倍樁長值，縱向方向取1.5倍樁長值，確定模型。土體取值參考見表2，樁基參數(shù)取值見表3。群樁計算模型如圖1所示。

3.2 典型群樁

本次以工程采用典型33群樁進(jìn)行分析，樁間距為3d，一般承臺尺寸為4 m×4 m×0.6 m，荷載均勻分布在群樁周邊，級別為25 kPa。計算結(jié)果如圖2所示。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨樁長增加，軸力值先增大然后減小，角樁、邊樁、中心樁的軸力依次減小，最大軸力分別為233.3 kN、205.8 kN、174.5 kN；然而，在一定范圍內(nèi)負(fù)摩阻力先逐漸增加，達(dá)到一定值后，隨著距樁頂距離的不斷增加，而后慢慢減小，當(dāng)在到達(dá)中性點后，摩阻力由負(fù)轉(zhuǎn)為正，角樁、邊樁、中心樁樁側(cè)摩阻力逐漸減小，最大值分別為-19.4 kN、-16.6 kN、-8.5 kN。從圖2中可以看出，不同位置處樁基中性點出現(xiàn)位置大致相同。

如圖3沉降位移圖可知，群樁相比單樁受力作用機(jī)理不同，在承臺的作用下群樁之間相互約束，且外圍樁基承擔(dān)了大部分的水平擠壓力及豎向摩阻力，從而導(dǎo)致群樁中內(nèi)部樁基和外部樁基土層沉降有所不同。從表4可以看出，各樁出現(xiàn)沉降情況大致類似，沉降值大致相等，幾乎沒有差異，并且中性點位置大致相同，都處于樁身約12.2 m處，這說明樁位置與中性點位置關(guān)聯(lián)性并不是很大。

計算工況 表1

土體參數(shù)值 表2

樁基參數(shù) 表3

圖1 群樁有限元計算模型

圖2 群樁中各位置樁身軸力及摩阻力分布情況

圖3 位移分布圖

4 地面荷載級別的影響

在群樁模型中，設(shè)置地面荷載級別分別為 15 kPa、25 kPa、35 kPa3 組進(jìn)行試驗。

如圖4所示，當(dāng)施加15 kPa時，群樁內(nèi)各樁基樁身軸力曲線圖在距樁身1.5 m處相交。距樁頂0 m～1.5 m范圍內(nèi)，各樁軸力逐漸增大；在超過1.5 m后，測得樁體軸力發(fā)生變化，角樁、邊樁、中心樁軸力先增大后減小。從軸力分布情況看，在樁頂位置上，承臺對于樁基發(fā)生了向上的拉力作用，以抵抗樁基出現(xiàn)的不均勻沉降。從摩阻力分布圖可以看出，各樁樁摩阻力雖有所不同，但中性點位置卻變化不大。計算結(jié)果比較，如表5所示。

樁體沉降及中性點位置表 表4

堆載15 kPa計算結(jié)果比較表 表5

圖4 施加15kPa荷載等級下軸力及摩阻力分布圖

圖5 施加25kPa荷載等級下軸力及摩阻力

當(dāng)施加25 kPa荷載時，圖中3個不同位置的樁基軸力圖相交于樁身2.5 m處，與第一組試驗堆載15 kPa相比，相交位置沿樁身增加了1 m，表明堆載荷載級別的增加，會導(dǎo)致樁身軸力受到影響。同時，當(dāng)堆載荷載級別增加時，各樁的最大軸力也都變化較大。從圖中可以看出，地面荷載級別由15 kPa增加到25 kPa時，外側(cè)樁軸力增加的速率更快，說明群樁受力過程中外側(cè)樁基起到更大的保護(hù)作用。施加25 kPa計算結(jié)果比較情況如表6所示。

當(dāng)施加35 kPa荷載時，樁身軸力、樁側(cè)摩阻力分布曲線如圖6所示。各樁軸力曲線交點出現(xiàn)在距樁頂3 m左右，與第二組試驗堆載25 kPa相比，相交位置沿樁身增加了1.5m，進(jìn)一步表明地面荷載級別的增加，會影響樁身軸力的變化。同時，當(dāng)?shù)孛婧奢d級別增加時，中心樁、角樁邊樁最大軸力發(fā)生較大較大。從圖中開看出，地面荷載級別由25 kPa增加到35 kPa時，外側(cè)樁軸力增加的速率更快，也說明群樁受力過程中外側(cè)樁基起到更大的保護(hù)作用。施加35 kPa計算結(jié)果比較情況如表7所示。

施加25kPa計算結(jié)果比較表 表6

圖6 施加35kPa荷載等級下軸力及摩阻力

圖7 不同加載順序樁身軸力及摩阻力

不同荷載加載順序計算結(jié)果比較表 表8

不同加載順序各樁樁頂沉降表（mm） 表9

5 荷載施加順序的影響

在常規(guī)施工過程中，樁基施工完成后，再施工承臺、墩身、蓋梁等結(jié)構(gòu)，樁基周邊有地面荷載會使樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力，從而影響到樁基受力，給上部結(jié)構(gòu)的施工，以及后期通車運(yùn)營過程，都會帶來一定的安全風(fēng)險。一般情況下，為減少負(fù)摩阻力對結(jié)構(gòu)的影響，在樁基等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后，往往會采取對樁周土層進(jìn)行堆載預(yù)壓的處理措施。研究中，進(jìn)行了相關(guān)實驗，得到不同加載順序?qū)痘a(chǎn)生的不同的受力影響，如圖7所示。

先堆載后加載時，軸力及樁側(cè)摩阻力分布情況如圖7中A、B、C三條曲線所示，先加載后堆載情況下，軸力及樁側(cè)摩阻力情況如圖7中D、E、F三條曲線所示。從圖中可以看出，在這6條曲線中，樁基在相同位置上，實驗獲得軸力曲線的起點和終點是相同的，在而中間位置處，不同的荷載加載順序，軸力不同，當(dāng)采用先加載后堆載的施加順序時，樁身軸力較大。

由表8可看出，采用先加載后堆載的荷載的加載順序時，各樁軸力一定程度的增加，當(dāng)采用先堆載后加載的加載順序時，負(fù)摩阻力在中心樁時表現(xiàn)為無意義，說明此時為正摩阻力。

表9所有數(shù)據(jù)是在上部施加400 kPa荷載，周邊為25 kPa堆載時測得的。保持所有荷載不變的情況下，改變荷載加載順序，樁基受力發(fā)生變化，從而導(dǎo)致樁基沉降發(fā)生改變，采先堆載后加載的順序其沉降值小于采用先加載后堆載順序時的樁頂沉降。

6 小結(jié)

本文運(yùn)用PLAXIS有限元軟件與現(xiàn)場檢測相結(jié)合的方式對樁基受力情況進(jìn)項相關(guān)研究分析，得到了以下結(jié)論：

①荷載加大，軸力曲線交點距樁頂距離變大，表明樁身軸力會受到荷載等級增加的影響，并且外側(cè)樁軸力增加的速率會更快，說明群樁受力過程中，處于外側(cè)樁基能起到更大的保護(hù)作用，各樁軸力、負(fù)摩阻力及中性點深度比基本接近；

②采用先加載后堆載的荷載加載順序，角樁、邊樁、中心樁軸力增加幅度更大，同時，先加載后堆載時樁頂沉降量也更大。