軟巖山區(qū)不規(guī)則地形樁基單樁豎向承載力有限元分析

龐彪

摘要：文章以某特大橋連續(xù)剛構(gòu)段為工程背景，研究了不規(guī)則地形軟巖介質(zhì)中的樁基礎(chǔ)單樁豎向承載特性。通過ABAQUS軟件建立三維有限元模型分析手段，對(duì)模型頂部采用位移加載方法，模擬了單樁的豎向荷載傳遞規(guī)律，提取了模型接觸面壓力分布、接觸面摩阻力分布、巖土體塑性分布、P-S曲線特征等作為分析指標(biāo)，歸納總結(jié)了這類樁基礎(chǔ)的單樁豎向承載特性。

關(guān)鍵詞：軟巖;單樁;豎向承載力;數(shù)值模擬

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：U441+.2-A-19-059-4

0 引言

隨著西南地區(qū)鐵路建設(shè)的發(fā)展，鐵路路線在山區(qū)中的延伸已逐漸擴(kuò)大，跨越河流山區(qū)等復(fù)雜地形是不可避免的問題，橋梁結(jié)構(gòu)在山區(qū)中也因此應(yīng)用廣泛。山區(qū)中的橋梁結(jié)構(gòu)往往有著非常高的橋墩結(jié)構(gòu)，超高橋墩造成了橋梁結(jié)構(gòu)自重的增大，這對(duì)下部基礎(chǔ)的要求也相應(yīng)提高。樁基礎(chǔ)作為目前應(yīng)用最為廣泛的一種基礎(chǔ)類型，其施工工藝已比較成熟，它依靠端部與側(cè)向摩阻力承載，能很好地滿足各類上部結(jié)構(gòu)的需求，且承載力較高，安全系數(shù)較大，而樁基礎(chǔ)側(cè)向摩阻力的發(fā)揮與地應(yīng)力的分布密切相關(guān)，山區(qū)不規(guī)則的地形條件造成了地應(yīng)力分布復(fù)雜不均，因此有必要對(duì)這類環(huán)境的樁基礎(chǔ)豎向承載特性展開研究，為類似工程的設(shè)計(jì)提供參考。

1 崖底樁基單樁有限元分析

本基礎(chǔ)為某特大橋18#墩基礎(chǔ)，其上部橋墩高82 m，樁基礎(chǔ)由25根基樁組成，單樁尺寸長(zhǎng)25 m，直徑為2.5 m，樁間距為6.6 m，具體尺寸見下頁圖1。

其地處河谷位置，墩臺(tái)右側(cè)為高陡邊坡，平面相距5 m，高程差約70 m，陡壁植被較好，長(zhǎng)滿灌木及雜草，土層覆蓋較薄，部分地方基巖裸露。地層主要為三疊系中統(tǒng)嘉陵江組灰?guī)r，主要性狀如下：

灰?guī)r（T2j）：淺灰-青灰色為主，局部為灰褐色，弱風(fēng)化，中厚-厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育。巖體較完整，巖質(zhì)較硬，Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石，σ0=1 000 kPa，巖層產(chǎn)狀為N42°E/70°N。

現(xiàn)場(chǎng)開挖揭示地層為弱風(fēng)化灰?guī)r夾泥灰?guī)r，薄-中厚層產(chǎn)狀，巖層產(chǎn)狀為N42°/70°N，主要發(fā)育一組近垂直密閉型節(jié)理，走向?yàn)镹68°W，間距為1～3 m，延伸長(zhǎng)度為3～5 m。該橋墩所在位置線路右側(cè)地形陡峭，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)5 m以上φ=12°、c=20 kPa，5 m以下φ=29°、c=100 kPa。

橋址區(qū)地表水主要為大氣降水，地下水主要為第四系孔隙潛水與巖溶裂隙水，地表水及地下水水質(zhì)良好，無侵蝕性。

2 單樁有限元軟件模擬

2.1 基本假設(shè)

（1）基礎(chǔ)、巖層為均質(zhì)、各向同性材料。

（2）不考慮群樁效應(yīng)。

（3）不考慮軟巖剪脹作用。

（4）不考慮樁基施工的地應(yīng)力重分布。

（5）不考慮接觸面的粘結(jié)作用。

（6）基礎(chǔ)不發(fā)生塑性變形。

2.2 單樁模型建立

采用1∶1三維建模，為了簡(jiǎn)化模型尺寸，采用等效荷載代替樁頂以上不規(guī)則地形，即可利用對(duì)稱性建立1/2模型，這大大簡(jiǎn)化了模型單元數(shù)量。模型豎向取50 m，為樁基的2倍深度，橫向取45 m，縱向取10 m，在基礎(chǔ)位移處預(yù)留基礎(chǔ)尺寸孔位，底面固定，限制周圍水平位移?；A(chǔ)與巖土體的法向接觸采用硬接觸，切向接觸采用罰函數(shù)的摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.5 m，基礎(chǔ)采用彈性模型，巖土體采用彈塑性模型，塑性部分采用摩爾-庫倫模型。各材料參數(shù)如表1所示，采用C3D8D單元，單元數(shù)量總計(jì)9 930個(gè)，有限元模型如圖2所示，分析步分為地應(yīng)力平衡分析步及位移加載分析步。

2.3 有限元結(jié)果分析

2.3.1 地應(yīng)力平衡結(jié)果分析

地應(yīng)力平衡效果如圖3及圖4所示。

由圖3及圖4可知：

（1）同一水平面上，懸崖側(cè)豎向應(yīng)力要高于基礎(chǔ)側(cè)。

（2）豎向應(yīng)力由上至下逐漸增大。

（3）地應(yīng)力平衡最大位移量值為10e-7 m數(shù)量級(jí)。

由以上結(jié)果可知：

不規(guī)則地形的地應(yīng)力平衡較為成功，地應(yīng)力分布符合一般懸崖地形條件，其初始位移量值對(duì)后續(xù)的位移加載影響可忽略不計(jì)。

2.3.2 位移加載結(jié)果分析

2.3.2.1 P-S曲線結(jié)果分析

由圖5荷載沉降曲線得知：

（1）P-S曲線呈線性分布，無明顯拐點(diǎn)。

（2）隨著荷載的增加，樁頂沉降也在不斷累加。

（3）位移加載3 cm結(jié)束時(shí)，樁頂荷載為133 kN。

由以上結(jié)果可知：樁基礎(chǔ)單樁豎向沉降隨荷載的增加而增大，在軟巖介質(zhì)中單樁承載力較高，很難發(fā)生極限狀態(tài)下的破壞，P-S曲線大致呈線性分布。

2.3.2.2 樁身豎向應(yīng)力及位移分布

提取樁中心點(diǎn)處豎向應(yīng)力，扣除自重，沿深度繪制于圖6中，豎向位移分布見圖7。

由圖6、圖7可知：

（1）樁身豎向應(yīng)力由淺至深逐漸變小，在樁頂處應(yīng)力值最大，在樁端處應(yīng)力值最小。

（2）樁身豎向應(yīng)力在樁頂附近速度減小較緩慢，在樁端附近遞減速度較快，在埋深23 m處出現(xiàn)了拐點(diǎn)。

（3）樁頂沉降30 mm時(shí)，樁端應(yīng)力與樁頂應(yīng)力比值為0.52。

（4）樁身豎向位移沿埋深依次遞減，樁頂豎向位移30 mm時(shí)樁端沉降僅有10 mm，樁自身壓縮量及摩阻力引起的介質(zhì)壓縮量占到了20 mm。

由以上結(jié)果可知：

（1）豎向荷載在傳遞過程中沿埋深依次遞減，豎向荷載在樁端附近的折減加快。

（2）當(dāng)樁頂沉降達(dá)到30 mm時(shí)，端阻占比達(dá)到了52%，證明樁基礎(chǔ)具有較高的側(cè)阻承載力，樁側(cè)摩阻力能分擔(dān)較多的豎向荷載。

（3）樁基礎(chǔ)承受豎向荷載時(shí)，樁頂沉降量由樁自身壓縮、樁端壓縮、摩阻力引起的介質(zhì)壓縮三部分組成。

（4）樁基礎(chǔ)在埋深較小處與介質(zhì)的相對(duì)位移較大，在埋深較大處與介質(zhì)的相對(duì)位移較小。

2.3.2.3 樁身摩阻力分布

樁頂沉降30 mm時(shí)，樁側(cè)摩阻力分布如圖8所示。

由圖8可知：

（1）在豎向承載作用下，軟巖介質(zhì)環(huán)境中的樁基礎(chǔ)摩阻力分布曲線呈雙峰型分布，在樁頂及0.72 L附近出現(xiàn)摩阻力峰值。

（2）單樁摩阻力曲線在靠近懸崖側(cè)及遠(yuǎn)離懸崖側(cè)分布差異微小，兩側(cè)摩阻力曲線分布基本重合。

（3）在0～5 m范圍內(nèi)摩阻力曲線沿埋深依次遞減，5～18 m范圍內(nèi)摩阻力曲線沿埋深依次增大，18～25 m范圍內(nèi)摩阻力曲線沿埋深依次遞減。

（4）樁頂附近摩阻力峰值要高于0.72 L附近處的摩阻力峰值。

由摩阻力分布機(jī)理分析可知：

（1）樁身摩阻力的發(fā)揮依賴于樁土相對(duì)位移，在樁頂附近，樁與介質(zhì)的相對(duì)位移較大，摩阻力能夠得到充分發(fā)揮。

（2）樁身摩阻力的大小也與側(cè)向接觸面的法向應(yīng)力有關(guān)，接觸面的法向應(yīng)力不僅與初始地應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)，也與樁身的法向變形有關(guān)。在埋深較淺處，雖然水平地應(yīng)力較小，但樁身豎向應(yīng)力值較大，發(fā)生的橫向變形較大，造成側(cè)向接觸面的擠壓，而埋深較大處由于水平地應(yīng)力較大，因此在較小相對(duì)位移時(shí)能發(fā)揮較大的摩阻力。

（3）樁端附近存在摩阻力為0，這是由于在樁端接觸面的擠壓變形過程中發(fā)生了側(cè)面接觸張開現(xiàn)象，側(cè)面接觸法向應(yīng)力為0，使得摩阻力為0。

本工程中的18#墩基礎(chǔ)是按摩擦樁進(jìn)行設(shè)計(jì)，而在有限元模擬中顯示端阻占比達(dá)到了52%，這是由于模型中是按樁頂30 mm的位移加載，而本基礎(chǔ)在橋梁完工時(shí)的沉降遠(yuǎn)比30 mm要小，當(dāng)位移加載過大時(shí)就會(huì)造成摩擦樁向端承樁的轉(zhuǎn)變。

3 結(jié)語

通過對(duì)實(shí)際崖底下方的樁基礎(chǔ)單樁有限元模擬，得出了如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）崖底位置處的樁基礎(chǔ)在承受豎向荷載時(shí)，摩阻力曲線呈雙峰型分布，峰值分別位于樁頂及0.72 L附近。

（2）軟巖環(huán)境使樁基礎(chǔ)單樁承載力較高，安全系數(shù)較大，P-S曲線呈線性分布。

（3）單樁摩阻力在崖底環(huán)境中，樁周側(cè)阻力分布大致相同。

（4）豎向荷載沿樁身遞減，樁身與介質(zhì)的相對(duì)位移沿埋深發(fā)生遞減。

（5）摩阻力的發(fā)揮與樁土相對(duì)位移、接觸側(cè)面法向應(yīng)力有關(guān)。

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收稿日期：2021-03-22

基金項(xiàng)目：廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“圖紙缺失的在役梁式橋承載力檢測(cè)評(píng)定” （編號(hào)：2020KY34015）

作者簡(jiǎn)介：龐 彪（1983—），碩士，講師，工程師，主要從事橋梁工程研究工作。