模型參數(shù)對(duì)橋梁樁基變形的影響

石峻峰，肖英英

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

隨著近年來我國社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，橋梁已成為交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的核心組成部分，而樁基礎(chǔ)是橋梁建設(shè)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。推動(dòng)公路橋梁建筑工程的高質(zhì)量發(fā)展與創(chuàng)新實(shí)踐，是落實(shí)交通強(qiáng)國建設(shè)目標(biāo)的重要抓手及基本前提[1]。因此必須準(zhǔn)確計(jì)算整個(gè)工程建設(shè)過程中構(gòu)件的變形及應(yīng)力情況，以有效地保證工程施工的質(zhì)量。目前橋梁樁基變形的計(jì)算大多采用有限元分析，而在進(jìn)行樁基變形的數(shù)值分析計(jì)算過程中涉及到了很多關(guān)于本構(gòu)模型參數(shù)的選取問題，這些模型參數(shù)的正確選取直接決定著數(shù)值分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和好壞。

裴慧芳等[2]利用鄧肯-張E-v模型, 針對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性, 進(jìn)行大量非線性有限元計(jì)算分析, 得到了各參數(shù)與支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移和彎矩之間的關(guān)系。吳同坤等[3]通過使用PLAXIS 3D巖土承載有限元軟件研究了高直徑樁基樁土聯(lián)合工作行為的主要影響因素和各種水平荷載作用下高樁基礎(chǔ)的水平承載特性。楊德健等[4-5]用過研究使用ANSYS有限元軟件深入分析了建筑樁間地基墊層模量、樁間土模量以及樁間距等多種不同影響因素對(duì)大型復(fù)合建筑地基沉降深度變形的直接影響。何思明等[6-7]采用基于Duncan-Chang本構(gòu)模型的一種修正分層應(yīng)力總和法計(jì)算單、群樁內(nèi)任意點(diǎn)處的沉降量,最終獲得單、群樁的沉降計(jì)算。張齊興等[8]基于三維有限元法,探討了超長(zhǎng)摩擦樁的數(shù)值模擬方法,分析了樁土界面單元、地基土單元模型參數(shù)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響。范臻輝等[9]采用彈塑性有限元法分析了樁周土、樁端土以及樁土界面特性等因素對(duì)大直徑樁沉降的影響。

本文以廣東省某大型橋梁工程項(xiàng)目樁基為例,使用Midas GTS/NX數(shù)值模擬軟件建立橋梁樁基的數(shù)值模型,通過改變模型的參數(shù)值,計(jì)算和分析參數(shù)變化對(duì)樁土變形的直接影響,總結(jié)變化規(guī)律以及確定影響程度最大的參數(shù),為以后開展類似項(xiàng)目計(jì)算提供參考。

1 工程概況

本工程項(xiàng)目地處廣東省，橋址區(qū)域地形相對(duì)比較平坦，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果及鉆孔所揭露出來的巖土層表明，在橋位地段內(nèi)尚無發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造痕跡，屬于穩(wěn)定性地塊，適合于橋梁項(xiàng)目的建設(shè)。橋位附近區(qū)域的土質(zhì)覆蓋層主要為第四系淤泥狀粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、燕山期花崗巖和其風(fēng)化層等。根據(jù)橋位段的相關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)分析，本橋位段的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采用樁基，可能采用的樁型為鉆孔灌注樁，以中風(fēng)化、微風(fēng)化的花崗巖作為結(jié)構(gòu)支撐的持力層。巖層分布具體內(nèi)容如下：

淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，褐灰色，以軟塑為主，局部含貝殼碎片，粉細(xì)砂、中粗砂層，埋藏較深，分布較穩(wěn)定，工程性質(zhì)一般；

粉質(zhì)黏土，軟塑，土質(zhì)不均勻；礫砂層，黃褐色，松散-稍密，主要成分為石英、長(zhǎng)石，分選性好，級(jí)配較差，主要分布在沖積平原段，土層物理力學(xué)特性較差，工程特性較差；

燕山期花崗巖，青灰色、灰白色，塊狀構(gòu)造，除陸域丘陵區(qū)分布不穩(wěn)定外，全線其余地段均有分布，呈層狀連續(xù)分布，局部風(fēng)化差異較大，且存在花崗巖球狀風(fēng)化。該地層工程性質(zhì)較好，是理想的基礎(chǔ)持力層。

2 有限元模型

2.1 模型參數(shù)選取

鄧肯-張模型是目前工程項(xiàng)目中比較常用的非線性彈性本構(gòu)模型，本文也主要討論鄧肯-張模型的有關(guān)參數(shù)[10]。在鄧肯-張模型的切線彈性模量表達(dá)式中，有 5個(gè)參數(shù)必須通過三軸試驗(yàn)或相關(guān)工程實(shí)踐進(jìn)行確定：c、φ、K、n、Rf；切線泊松比公式中也涉及到三個(gè)參數(shù)：D、G、F。另外，c和φ與其他6個(gè)參數(shù)不同，它們是巖土力學(xué)中常用的兩個(gè)參數(shù)，而不是鄧肯-張模型特有的參數(shù)，一般通過三軸試驗(yàn)和其相關(guān)實(shí)踐項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)來確定其測(cè)量值，并且現(xiàn)在相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)已相對(duì)成熟，試驗(yàn)也相對(duì)容易且具有較高的精度，故參數(shù)c和φ不作為本文討論對(duì)象。

本文基于橋位段相關(guān)工程地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告和以往相關(guān)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，選取具有代表的一組參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，為了減少分析中要考慮的交叉因素，本文假定各土體材料類型相同。土層參數(shù)值詳見表1。

表1 鄧肯-張模型參數(shù)

2.2 樁土模型建立

本文采用Midas GTS/NX 有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算分析，樁基與土層的模型分為巖層、橋墩、承臺(tái)和填充混凝土。對(duì)巖層模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，巖層模型取長(zhǎng)50 m，寬30 m，分2層，第一層為粉質(zhì)黏土，厚21 m，第二次層為中風(fēng)化花崗巖，厚26 m。填充混凝土長(zhǎng)40 m，寬30 m，厚2 m。承臺(tái)平面尺寸為20 m×38 m，為橢圓形，高5 m。樁基選擇鉆孔灌注樁，樁根數(shù)為13根，樁長(zhǎng)38 m，樁徑3.0 m，橋墩高取為10 m。

建立樁土模型時(shí)，將橋墩、承臺(tái)、填充混凝土等視為同一種彈性材料，鉆孔灌注樁采用梁?jiǎn)卧问?；土層模型采用鄧?張模型；整體模型施加邊界約束；樁基施加旋轉(zhuǎn)約束，施工步驟主要是通過對(duì)單元組進(jìn)行“激活”和“鈍化”來實(shí)現(xiàn)[11]。

3 結(jié)果分析

本文主要針對(duì)K、n、Rf、D、G和F等6個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，分別對(duì)各個(gè)參數(shù)作±20 %變化，各參數(shù)上、下變化均是以它們的初始值為基礎(chǔ)的[12]，通過計(jì)算得出各個(gè)參數(shù)對(duì)橋梁樁基變形的影響情況。在對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行分析時(shí)，本文選擇使用單一變量法，即保持其他參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，綜合分析模型參數(shù)對(duì)于橋梁樁基的變形影響及其發(fā)生變化的規(guī)律。

3.1 參數(shù)變化對(duì)樁基沉降的影響

圖1、圖2是對(duì)各參數(shù)進(jìn)行±20%的變化后，計(jì)算所得橋梁樁基沉降值隨參數(shù)變化的變化曲線，從圖2中可看出，在[-20%,+20%]區(qū)間變化時(shí)，參數(shù)變化對(duì)樁基沉降變化影響最大的是參數(shù)G，其變化率的絕對(duì)值最小為34.70%，最大達(dá)67.35%。其次是參數(shù)F，沉降變化率至少大于7.20%，最大為14.57%。影響程度最小的是參數(shù)D，沉降變化率絕對(duì)值均小于7%。且參數(shù)Rf和F的變化與土體沉降變化成正比，隨著參數(shù)Rf和F的增大，樁基沉降逐漸增大；而參數(shù)G，K，n和D與土層沉降的變化成反比，隨著參數(shù)參數(shù)G，K，n和D的增大，樁基沉降逐漸減小。

圖1 橋梁樁基沉降變化

圖2 各參數(shù)與樁基沉降關(guān)系

3.2 參數(shù)變化對(duì)樁基水平位移的影響

圖3是各參數(shù)變化時(shí)樁基水平位移圖，圖4是各參數(shù)和樁基水平位移變化率關(guān)系圖，由圖4可以清楚地看出，隨著參數(shù)K、G和F增加，樁基水平位移反而減??；且影響水平位移變化程度最大的是參數(shù)K，其變化率的絕對(duì)值最小為12.66%，最大可達(dá)39.70%。其次是參數(shù)G，其水平位移變化率至少大于5%，最大為33.21%；隨著參數(shù)D、n和Rf的增加，水平位移數(shù)值隨之增加，影響程度較大的是參數(shù)D。由圖2和圖4可看出，參數(shù)G對(duì)沉降和水平位移變化的影響都很明顯，且參數(shù)變化與沉降和水平位移變化成反比，不同的是，參數(shù)G對(duì)樁基沉降的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)水平位移的影響，其沉降變化率是水平位移變化率的2倍。

圖3 橋梁樁基水平位移變化

圖4 各參數(shù)與樁基水平位移關(guān)系

3.3 參數(shù)變化對(duì)樁基軸力值的影響

圖5是橋梁樁基軸力值變化圖，圖6是 各參數(shù)與樁基軸力值關(guān)系圖，由圖6可知，參數(shù)G對(duì)樁基軸力值的影響最大，且G增大時(shí)對(duì)軸力值的影響要大于減小時(shí)對(duì)軸力值的影響，隨著參數(shù)G的增大，樁基軸力值增大；其次是參數(shù)F和參數(shù)K，不同的是，隨著參數(shù)F的增大，樁基軸力值反而減小；相較而言，參數(shù)Rf、n和D對(duì)樁基軸力值影響程度相當(dāng)，且都比較小，其軸力值變化率均小于1%。

圖5 橋梁樁基軸力值變化

圖6 各參數(shù)與樁基軸力值關(guān)系

4 結(jié)論

本文利用有限元數(shù)值模擬分析的方法，分析了鄧肯-張模型的相關(guān)參數(shù)變化對(duì)橋梁樁基變形的影響程度和變化規(guī)律。得到以下結(jié)論。

1)在鄧肯-張模型中，對(duì)橋梁樁基沉降變形的影響程度從大到小為：G>F>K>n>Rf>D；對(duì)橋梁樁基水平位的移影響程度從大到小為：K>G>D>Rf>F>n；對(duì)橋梁樁基軸力值的影響較大的參數(shù)主要是G、F、K，而參數(shù)Rf、n和D對(duì)樁基軸力值影響都不明顯。整體而言，參數(shù)G對(duì)樁基沉降、水平位移和軸力值的影響都很大；參數(shù)K對(duì)水平位移比對(duì)沉降和軸力值的影響要大，參數(shù)F對(duì)沉降和軸力值的影響比對(duì)水平位移的影響要大。

2)基于實(shí)際工程項(xiàng)目，在進(jìn)行土工測(cè)定試驗(yàn)的時(shí)候，除了需要關(guān)注c、φ這兩個(gè)巖土力學(xué)中常用的參數(shù)外，還需要關(guān)注對(duì)樁基影響程度較大的參數(shù)，提高其精確度，在進(jìn)行模型計(jì)算時(shí)可獲得更好的計(jì)算結(jié)果。

3)本構(gòu)模型的參數(shù)問題，例如在樁基承載力，樁側(cè)摩阻力，土壓力等問題中，參數(shù)的選取引起的誤差比理論要大得多。