鋼管樹根樁在橋梁樁基抗水平力加固中的應(yīng)用

李定美 何永偉 楊忠恒

摘 要：樹根樁具有樁徑小，施工方便，需要的施工面小，在橋梁基礎(chǔ)加固施工中可以不中斷橋上交通，可在橋下正常施鉆成樁等優(yōu)點，被廣泛運用于橋梁基礎(chǔ)加固中。此外，對于需要抵抗水平力的橋臺或橋墩基礎(chǔ)加固采用斜樹根樁不失為一種好辦法。文章結(jié)合曲羅線大馬場2號橋的樁基加固工程實例，利用Abaqus有限元軟件模擬樹根樁加固橋梁基礎(chǔ)，介紹了樹根樁在橋梁基礎(chǔ)抗水平力加固中的應(yīng)用。結(jié)果表明：橋梁基礎(chǔ)在承受較大水平力時，通過布置斜樹根樁，可以有效抵抗基礎(chǔ)水平力，提高地基承載力，達(dá)到加固效果。

關(guān)鍵詞：樹根樁;橋梁基礎(chǔ);水平力;Abaqus;加固

中圖分類號：U444 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）08-0158-03

1概述

大樹底部的根系與土體緊密相連，歷經(jīng)數(shù)百年風(fēng)吹雨打而不倒，工程師們對這一優(yōu)點充分利用，利用仿生學(xué)原理，將樁基做成樹根狀[1～3]。在實際工程中，根據(jù)設(shè)計需要，樹根樁可布置成群樁，也可單獨使用;可以豎向布置，也可以傾斜布置;可以設(shè)計成摩擦樁，也可以設(shè)計成端承樁，還可以在不同的方向施工，形成獨特的三維網(wǎng)狀體系，即所謂的網(wǎng)狀樹根樁，就像樹木的根部一樣[5～10]。樹根樁由于具有良好特性，對于需要抵抗水平力的橋臺基礎(chǔ)或橋墩基礎(chǔ)加固，采用斜樹根樁更為有利。

2樹根樁在橋梁基礎(chǔ)抗水平力加固中的優(yōu)點

樹根樁承載力比較高，在施工中不會影響到現(xiàn)存橋梁的正常運行，能夠保持其原有的平衡狀態(tài)，在施工的過程中提高了既有建筑的穩(wěn)定性和安全性[11～15]。當(dāng)橋梁基礎(chǔ)受到水平力作用引起超過規(guī)定的水平位移時，可充分利用樹根樁進(jìn)行加固處理，通過大量工程實踐表明，增加斜樁來抵抗水平力是合理的。文章通過曲羅線大馬場2號橋基礎(chǔ)加固工程實例，介紹了樹根樁在橋梁基礎(chǔ)抗水平力加固中的具體應(yīng)用。

3樹根樁工作原理

樹根樁加固是在橋墩基底注漿，即在注漿壓力下，漿液在不擾動和破壞地層結(jié)構(gòu)的條件下滲入巖土縫隙，將土顆粒膠結(jié)起來，改變地基土的力學(xué)性能，形成結(jié)構(gòu)新、強度大、穩(wěn)定性好的結(jié)石體。樹根樁本身具有承載力，且壓力注漿可使橋墩及其基礎(chǔ)更加密實，提高橋墩整體剛度、橋墩和橋墩基礎(chǔ)巖土的力學(xué)強度和變形模量，增強基礎(chǔ)與周圍巖土介質(zhì)之間的結(jié)合，改善地基承載力，減小地基的壓縮變形，保證土體穩(wěn)定性，達(dá)到橋墩加固和提高地基承載力的目的。

4工程實例

4.1工程概況

大馬場2號橋位于曲羅線（S315）K52+180處，橋梁上部結(jié)構(gòu)為3×20m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，下部結(jié)構(gòu)橋墩為鋼筋混凝土雙柱墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋臺為重力式U型橋臺，剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)。設(shè)計荷載等級為：汽車-20級，掛車-100。原橋車輛超限現(xiàn)象嚴(yán)重，橋梁一面臨水，背水面地基有向臨水面推移的趨勢，導(dǎo)致該橋墩輕微傾斜，且墩身多處出現(xiàn)水平環(huán)狀裂縫，懷疑樁基可能已經(jīng)開裂，橋墩及樁基礎(chǔ)不能滿足汽車-20級，掛車-100設(shè)計荷載的要求，更不能滿足抗水平力的要求。由于保通壓力、資金不足等因素，不具備斷開交通拆除重建的條件，故需要對橋墩及基礎(chǔ)進(jìn)行加固。

為提高地基承載力，抵抗基礎(chǔ)水平力，本次加固采用了樹根樁進(jìn)行加固，在樁頂分別增設(shè)1.5m厚承臺，承臺底設(shè)置樹根樁，樹根樁直徑0.13m，樁長12m，并伸入承臺0.75m，樹根樁間距85cm，分兩層布置，兩層樹根樁交錯布置，外層樹根樁與豎直方向夾角10?，如圖1所示。

4.2計算建模

采用Abaqus有限元計算軟件對樹根樁加固橋梁基礎(chǔ)進(jìn)行模擬，基于安全考慮，使計算結(jié)果偏于保守，本次斜樹根樁均模擬成豎直方向建模，建模時土層從上而下依次為粉質(zhì)黏土、中砂層、卵石，建立的三維有限元計算模型見圖2。整個模型全部采用實體單元，單元類型為C3D8，模型節(jié)點數(shù)為251198，單元數(shù)為240396。根據(jù)擬采用的橋墩基礎(chǔ)樹根樁加固機理，采用高壓注漿，其樹根樁、周圍土體、原橋墩基礎(chǔ)、新承臺之間將形成為整體復(fù)合地基一起工作，因此，分析中在地基土體與樹根樁之間采用節(jié)點耦合的方式。

4.3計算參數(shù)選取

根據(jù)公路橋涵設(shè)計有關(guān)規(guī)范要求，在車輛運行的過程中，橋梁結(jié)構(gòu)和地基允許的變形很小。在微小變形情況下，各材料的力學(xué)特性可以近似考慮為線彈性，且對計算結(jié)果的影響很小，因此，計算中所有材料采用彈性模型。文章計算中巖土及材料的物理力學(xué)參數(shù)取值主要根據(jù)工程初勘及相關(guān)文獻(xiàn)、資料給出的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，見表1所示。

4.4加固效果對比分析

以下為卵石層應(yīng)力分布云圖。

4.4.1應(yīng)力分布圖

圖3、圖4分別給出了卵石層加固前后水平X、Y方向應(yīng)力場分布。圖形顯示：加固前卵石層的最大水平應(yīng)力為27.3KPa，加固后水平應(yīng)力顯著增大，最大水平應(yīng)力為600KPa，增長率為2097.8%，說明通過樹根樁的加固后，上部的力傳遞到堅硬的卵石層。

圖5給出了加固后樹根樁豎向應(yīng)力分布情況。圖形顯示：在基礎(chǔ)底面以上，最外圍樹根樁的豎向應(yīng)力相對較大，這是由于加固后，樹根樁和土體形成了一種復(fù)合地基，一部分荷載通過承臺傳遞到下部粉質(zhì)黏土中，由于土體的模量很小，使得外圍樹根樁及附近土體的變形相對橋墩及內(nèi)側(cè)樹根樁的變形較大，因而，基礎(chǔ)底面上部樹根樁的應(yīng)力最大。而在基礎(chǔ)底面以下，最外圍樹根樁的豎向應(yīng)力最小，內(nèi)側(cè)樹根樁的應(yīng)力較大。這說明上部荷載主要通過橋墩傳遞到地基上，在基礎(chǔ)底面下，樹根樁承擔(dān)了很大部分的荷載。而且，從樹根樁的應(yīng)力可以看出，從基礎(chǔ)底面向下，樹根樁的豎向應(yīng)力先增大后減小。

4.4.2變形圖

圖6給出了橋墩頂部荷載作用下加固前后豎向的變形云圖。圖形顯示：加固后地基的變形顯著減小，橋墩頂部的豎向位移由加固前的2.817mm減小到0.713mm。

圖7給出了加固前后橋墩頂部水平荷載作用下橫向變形云圖。圖形顯示：加固前橋墩頂部的最大側(cè)移為1.62mm，加固后橋墩頂部的最大側(cè)移減小為0.45mm。

5 結(jié)語

該橋經(jīng)加固后承載力恢復(fù)到原橋的設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽車-20級，掛車-100;基礎(chǔ)達(dá)到抗水平力的要求。在下部結(jié)構(gòu)加固中，采用樹根樁加固，通過Abaqus有限元軟件建模模擬分析，現(xiàn)得出以下結(jié)論：

（1）樹根樁加固后，原基底中砂層應(yīng)力明顯減少，樁底卵石層應(yīng)力顯著增大，說明樹根樁把很大一部分上部荷載傳遞至下部卵石層中，進(jìn)而減少了原基底中砂層的附加應(yīng)力，提高了地基的承載能力。

（2）加固后墩頂?shù)呢Q向變形和橫向變形也有所減少，說明樹根樁對橋梁基礎(chǔ)的加固具有很好的效果，可確保橋梁工程的安全及適用性等。

（3）樹根樁加固不但可以避免工程施工對社會交通造成的不良影響，而且加固后全橋受力特性明顯改善。當(dāng)基礎(chǔ)在承受較大水平力時，通過布置斜樹根樁，可以有效抵抗基礎(chǔ)水平力。

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