地表堆載對臨近城市立交樁基受力影響分析研究

張俊波

(北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司， 北京 100082)

0 引言

隨著城市快速發(fā)展，城市立交系統(tǒng)越來越趨于完善，一般情況下，立交橋下方禁止堆放棄方土。然而在特定的環(huán)境下，由于各種原因，棄土會臨時堆放在樁基附近，不合理的堆放會改變橋梁樁基的安全狀態(tài)，影響其正常使用。此時便需要進行設(shè)計驗算，合理地計算堆土距離、高度等參數(shù)，確保棄土的臨時堆放不影響橋梁樁基受力狀態(tài)[1-4]。近年來，國內(nèi)外學者作了相關(guān)研究：陳星星等[1-2]采用有限元分析軟件GeoStudio對樁基礎(chǔ)在大面積堆載作用下的樁身變形、受力情況進行分析，結(jié)果表明大面積堆載作用致使樁身變形，對臨近樁基安全有著重要影響；何文華等[3-4]以鄭徐高鐵徐州特大橋附近堆料場為背景，采用有限元分析堆載作用下樁身內(nèi)力與變形及其引起的土體水平附加應(yīng)力的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)臨近樁基堆載主要通過引起不均勻沉降和水平附加應(yīng)力造成橋墩產(chǎn)生水平位移，尤其對于非嵌巖剛性樁，應(yīng)重視不均勻沉降引起的橋墩傾斜；倪正田等[5-6]就軟土地區(qū)地面堆載對鄰近樁基影響進行了數(shù)值模擬研究，模擬分析了填土對鄰近樁基的地面沉降水平位移、樁身變形、樁身軸力、樁身彎矩等的影響，得出樁身位移變化規(guī)律以及填土高度對樁基影響的安全距離。本文以某地區(qū)臨近立交單樁樁基地表堆載為例，采用有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值模型，分析了樁基的受力特性，并探討了堆載距離L、堆載荷載P和堆載寬度b對樁基軸力和沉降的影響規(guī)律，以期為類似工程設(shè)計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某城市立交橋為單樁基礎(chǔ)，由于臨近土方工程產(chǎn)生的棄土無處堆放，臨時堆放于此。樁基直徑為1.0 m，樁長50 m，其中地表以下42 m，堆載采用通長布置。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，土體從上至下分為4層，依次為軟黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂和粉土，深度依次為18.4、23.7、16.8、41.1 m。堆載與樁基位置關(guān)系見圖1。

圖1 堆載與樁基位置關(guān)系示意圖(單位： m)

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立

圖2為采用有限元軟件ABAQUS建立的數(shù)值模型，考慮到模型的邊界效應(yīng)，模型的長寬高分別取60、20、100 m，樁體和土體均采用實體單元模擬，除上邊界以外，其他邊界均進行位移約束，以模擬半無限體。本文土體采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，土體的力學參數(shù)見表1?；炷翗痘捎镁€彈性模型，彈性模量取32 GPa，密度取2 600 kg/m3，泊松比取0.2。

圖2 數(shù)值模型圖

表1 土體的物理力學參數(shù)土層材料彈性模量E/MPa泊松比μ重度γ/(kN·m-3)粘聚力c/MPa內(nèi)摩擦角φ/(°)堆土10.20.24200.03225軟黏土7.50.23240.21018粉質(zhì)黏土9.60.22220.18025粉砂12.50.23250.01028粉土15.20.20190.06021

2.2 計算工況

在模擬計算的過程中，考慮5種大小不同的堆載荷載P，取值分別為20、40、60、80、100 kPa；考慮4種不同的堆載距離L，取值分別為2、4、6、8 m；考慮4種不同的堆載寬度b，取值分別為6、10、14、18 m，根據(jù)以上參數(shù)分別進行工況分析。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 樁基受力特性分析

圖3為堆載距離L取2 m、堆載寬度b取6 m、堆載P荷載取100 kPa時的模型豎向云圖，由圖3可知，在堆載作用下，相同水平位置的土體在樁基附近沉降更大，說明堆載會對樁基的變形產(chǎn)生不利影響。

圖3 模型豎向位移云圖

軸力是反映樁基安全狀態(tài)的重要參數(shù)，為了對樁基在無堆載和有堆載作用下的樁基軸力進行對比分析，圖4給出了堆載距離L為2 m、堆載寬度b為6 m時,樁基在無堆載和堆載P分別取20、40、60、80、100 kPa作用下的軸力沿樁基埋深的變化曲線。由圖4可知，無堆載時樁基軸力最小，整體呈現(xiàn)出從樁頂?shù)綐兜纵S力線性減小的趨勢，說明此時樁側(cè)不存在負摩阻力。隨著堆載增大，樁基的最大軸力逐漸增大且最大軸力位置逐漸下移。無堆載和堆載P取20、40、60、80、100 kPa時的最大軸力分別為4 322、4 453、4 965、5 527、6 213、6 986 kN，說明在堆載作用下樁側(cè)存在負摩阻力，使得樁的承載能力降低。相對于無堆載時，堆載P取20、40、60、80、100 kPa時軸力分別增大了3.0%、14.8%、27.9%、43.8%和61.6%，最大軸力發(fā)生位置分別位于樁深0、2.3、9.8、13.6、14.9、15.4 m。

圖4 不同堆載作用下的樁身軸力分布

3.2 不同堆載距離L影響分析

堆載位置與樁基水平距離的不同對樁基軸力和沉降變形有影響，圖5為堆載P取100 kPa，堆載寬度取6 m，堆載距離L取0、2、4、6、8 m時軸力沿樁基埋深的變化曲線。由圖5可知，樁基軸力均表現(xiàn)為從上至下軸力先增大后減小的變化趨勢。當堆載距離L取0、2、4、6、8 m時，樁基最大軸力分別為6 875、6 213、5 689、5 143、4 619 kN；相對于堆載距離L取8 m，L取6、4、2、0 m時,軸力分別增大了11.3%、23.2%、34.5%、48.8%，最大軸力均發(fā)生位置分別在樁深15 m附近。圖6為堆載P取100 kPa，堆載距離L取0、2、4、6、8 m時樁基豎向沉降沿樁基埋深的變化曲線。由圖6可知，樁基沉降值隨著樁深增大而減小。當堆載距離L取0、2、4、6、8 m時，樁頂最大沉降依次為31.4、28.3、27.0、25.6、24.1 mm;相對于堆載距離L取8 m，距離L取6、4、2、0 m時,樁頂沉降分別增大6.2%、12.0%、17.4%和30.3%。

圖5 不同堆載距離L時的樁身軸力分布

圖6 不同堆載距離L時的樁身沉降曲線

綜上所述，隨著堆載距離增大，樁基最大軸力和最大沉降均基本呈現(xiàn)線性減小，改變堆載距離不會影響樁基的最大軸力產(chǎn)生位置，且樁基最大沉降均發(fā)生在樁頂位置。

3.3 不同堆載荷載P影響分析

堆載荷載的大小對樁基軸力和位移有一定影響。圖7為堆載距離取8 m，堆載寬度取6 m，堆載荷載P取20、40、60、80、100 kPa時軸力沿樁基埋深的變化曲線。由圖7可知，隨著堆載增大，樁基的最大軸力曲線由接近線性變成曲線。當堆載為20、40、60、80 kPa時，最大軸力均在樁頂，但樁頂以下的軸力隨著堆載增大不斷增大；當堆載取100 kPa時，軸力最大值為4 619 kN，最大軸力發(fā)生在樁深15.2 m處。圖8為堆載寬度取8 m，堆載荷載P取20、40、60、80、100 kPa時樁基沉降沿樁基埋深的變化曲線。由圖8可知，樁基沉降值隨著樁深增大而減小。當堆載荷載P取20、40、60、80、100 kPa時，樁頂最大沉降依次為24.1、21.7、17.8、14.6、11.5 mm；相對于堆載荷載P取20 kPa，堆載荷載P取40、60、80、100 kPa時，樁頂沉降分別增大27.0%、54.8%、88.7%和109.6%。

圖7 不同堆載荷載P時的樁身軸力分布

圖8 不同堆載荷載P時的樁身沉降曲線

綜上所述，隨著堆載荷載增大，樁基整體軸力和最大沉降均增大，且堆載荷載增大對增大樁頂沉降較為明顯。

3.4 不同堆載寬度b影響分析

不同堆載寬度b對樁基同樣有著重要影響，下面對樁基在不同堆載寬度b下的樁基軸力和沉降變形進行分析。圖9為堆載P取100 kPa，堆載距離L取8 m，堆載寬度b取6、10、14、18 m時軸力沿樁基埋深的變化曲線。由圖9可知，樁基軸力均表現(xiàn)為從上至下軸力先增大后減小的變化趨勢。當堆載寬度b取6、10、14、18 m時，樁基最大軸力分別為4 619、5 256、5 967、6 412 kN;相對于堆載寬度b取6 m，b取10、14、18 m時軸力分別增大了13.8%、29.2%和38.8%，分別在樁深15.4、20.2、21.8、23.4 m處。圖10為堆載P取100 kPa，堆載距離取8 m，堆載寬度b取6、10、14、18 m時樁基沉降沿樁基埋深的變化曲線。由圖10可知，樁基沉降值隨著樁深增大而減小，當堆載寬度b取6、10、14、18 m時，樁頂最大沉降依次為24.1、30.7、36.6、41.7 mm；相對于堆載寬度b取6 m，距離L取10、14、18 m時，樁頂沉降分別增大了27.4%、12.0%、51.9%和73.0%。

圖9 不同堆載寬度b時的樁身軸力分布

圖10 不同堆載寬度b時的樁身沉降曲線

綜上所述，隨著堆載寬度b增大，樁基最大軸力和最大沉降均增大，且改變堆載寬度會導(dǎo)致樁基的最大軸力位置沿樁基下移。

4 結(jié)論

以某地區(qū)地表堆載臨近立交單樁樁基為例，采用有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值模型，分析了樁基的受力特性，并探討了堆載距離L、堆載荷載P和堆載寬度b對樁基軸力和沉降的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1) 堆載作用下，相同水平位置的土體在樁基附近沉降更大，且相對于無堆載時，有堆載作用時會使樁基軸力明顯增大，說明堆載會對樁基的軸力和變形產(chǎn)生不利影響。

2) 隨著堆載距離增大，樁基最大軸力和最大沉降均基本呈現(xiàn)為線性減小，改變堆載距離不會影響樁基的最大軸力位置，樁基最大沉降均發(fā)生在樁頂位置。

3) 堆載荷載和堆載寬度的增大，均會導(dǎo)致樁基整體軸力和最大沉降增大，且堆載荷載增大對增大樁頂沉降影響較為明顯。改變堆載寬度和堆載寬度均會導(dǎo)致樁基的最大軸力位置沿樁基下移。