基于注漿加固的橋梁樁基受力及變形特性研究

摘要：文章基于南湛高速公路南流江特大橋樁基施工案例，通過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，探討了注漿加固技術(shù)對(duì)橋梁樁基受力及變形特性的影響，并通過(guò)有限元數(shù)值模擬及分析技術(shù)，從注漿加固的寬度、深度綜合分析了注漿加固在橋梁樁基工程中的實(shí)際應(yīng)用效果。結(jié)果表明：注漿加固顯著降低了鄰近樁基的側(cè)向位移，降幅達(dá)44.6%；在工程橋梁樁基工程中，當(dāng)加固寬度達(dá)到14.6 m時(shí)，加固深度最佳閾值為4 m。研究成果可為同類(lèi)工程提供參考。

關(guān)鍵詞：注漿加固；橋梁樁基；受力；變形特性

中文分類(lèi)號(hào)：U443.15A561863

0引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，橋梁作為連接各地、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要構(gòu)件，在現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)著舉足輕重的地位［1］。橋梁樁基作為支撐橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，其穩(wěn)定性和安全性直接關(guān)系到橋梁的整體性能和使用壽命。在實(shí)際施工過(guò)程中，橋梁樁基的穩(wěn)定性和承載能力經(jīng)常受到地質(zhì)條件復(fù)雜、施工環(huán)境多變等因素的影響，這可能導(dǎo)致樁基出現(xiàn)受力不均、變形過(guò)大等問(wèn)題，嚴(yán)重威脅橋梁的安全與穩(wěn)定［2］。因此，探索有效的樁基加固技術(shù)顯得尤為重要。注漿加固技術(shù)作為一種能夠顯著提高土壤強(qiáng)度和穩(wěn)定性的方法，近年來(lái)在橋梁樁基施工中得到了廣泛應(yīng)用［3］。該技術(shù)通過(guò)向樁基周?chē)耐寥乐凶⑷胩囟ǖ募庸滩牧希愿纳仆寥赖奈锢砹W(xué)性能，進(jìn)而提升樁基的承載能力和穩(wěn)定性［4］。然而，盡管注漿加固技術(shù)在工程實(shí)踐中已有所應(yīng)用，但關(guān)于其對(duì)橋梁樁基受力及變形特性的具體影響，仍需進(jìn)一步深入探究。

基于此，本研究以實(shí)際工程案例為基礎(chǔ)，通過(guò)綜合運(yùn)用實(shí)地監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬的方法，系統(tǒng)分析注漿加固技術(shù)對(duì)橋梁樁基受力及變形特性的影響［5］。通過(guò)本研究，期望能夠更深入地理解注漿加固技術(shù)對(duì)橋梁樁基性能的影響機(jī)制，為橋梁樁基的設(shè)計(jì)與施工提供科學(xué)的理論指導(dǎo)和實(shí)踐建議。同時(shí)，為注漿加固技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和推廣提供有力支持，從而提升我國(guó)橋梁建設(shè)的質(zhì)量和安全性，保障交通運(yùn)輸?shù)捻槙撑c高效。

1工程概況

廣西南湛高速公路是《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃（2018—2030）》中“1環(huán)12橫13縱25聯(lián)”中的“聯(lián)13”線，也是廣東省高速公路網(wǎng)連通廣西的11條出省通道之一。其連接了廣西壯族自治區(qū)南寧市和廣東省湛江市，對(duì)提升兩廣地區(qū)的互聯(lián)互通水平具有重要意義。廣西南湛高速公路全長(zhǎng)約為187.2 km，設(shè)計(jì)速度為120 km/h。本研究選取南湛高速公路的南流江特大橋?yàn)榘咐?，其全長(zhǎng)為335 m，主跨跨越南流江，跨徑組合為85 m+155 m+85 m，是一座大跨徑連續(xù)梁橋。該橋采用單箱單室截面設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)在保證橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，也優(yōu)化了橋梁的視覺(jué)效果。由于南流江特大橋河床跨徑大、地勢(shì)復(fù)雜，鋼筋與預(yù)應(yīng)力管道交錯(cuò)、密集，連續(xù)剛構(gòu)橋跨度大，因此施工難度較高。此外，該大橋每個(gè)橋墩下方設(shè)置了4根樁基，采用的是鉆孔灌注樁或預(yù)制樁等類(lèi)型的樁基，且直徑和長(zhǎng)度會(huì)根據(jù)地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)要求來(lái)確定，施工模型圖見(jiàn)圖1。

2橋梁樁基受力及變形分析

2.1數(shù)值模擬計(jì)算

本研究采用Abaqus有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。依據(jù)工程實(shí)際概況建立施工模型，模擬計(jì)算橋梁樁基在施工中受力及變形特性，對(duì)詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理。將數(shù)值模擬得出的數(shù)據(jù)與實(shí)際施工的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，誤差越小說(shuō)明本次數(shù)值模擬的可行性越高。施工現(xiàn)場(chǎng)樁基分布詳見(jiàn)圖2。

在施工現(xiàn)場(chǎng)，為了更為準(zhǔn)確地模擬注漿加固對(duì)橋梁樁基的影響，本研究在進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)嚴(yán)格按照施工現(xiàn)場(chǎng)注漿加固材料的具體范圍和強(qiáng)度參數(shù)，對(duì)樁基的周?chē)寥肋M(jìn)行了深入的注漿加固數(shù)值模擬研究。在此之中，通過(guò)增加土體的彈性模量，成功地模擬了注漿后土體的實(shí)際狀態(tài)。為了更準(zhǔn)確地描述注漿加固土體的機(jī)械屬性，本研究引入摩爾-庫(kù)侖的本構(gòu)模型為基礎(chǔ)，相關(guān)材料參數(shù)詳見(jiàn)表1。

在實(shí)際工程施工現(xiàn)場(chǎng)，本研究采用了3 m×2 m的群樁基礎(chǔ)布局。樁基礎(chǔ)與承臺(tái)緊密相連，而承臺(tái)則進(jìn)一步與橋墩相接，從而有效地承載上部荷載。為了科學(xué)評(píng)估注漿加固對(duì)橋梁樁基所產(chǎn)生的效能影響，本研究將一組未進(jìn)行注漿加固施工的橋梁樁基進(jìn)行實(shí)際施工，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工數(shù)據(jù)，以此作為研究對(duì)照。通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬及實(shí)際施工的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入對(duì)比分析，能夠更精確地掌握注漿加固技術(shù)的實(shí)際效用。

2.2數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

在實(shí)際基坑注漿加固施工后，本研究對(duì)實(shí)測(cè)受力及變形情況展開(kāi)了詳細(xì)監(jiān)測(cè)及記錄（詳見(jiàn)圖3）。從圖3可看出，在注漿加固之后，橋梁的最大水平位移之處主要出現(xiàn)在樁頂以及承臺(tái)的下底面位置。為此，本研究采用了C50混凝土來(lái)構(gòu)造中橫梁，這種材料的高彈性模量顯著提升了中橫梁的剛度，從而有效地控制了橋墩上部的水平位移。數(shù)據(jù)顯示，中橫梁上部的橋墩水平位移均保持在1 mm以下，這樣的微小位移在實(shí)際工程中幾乎可以忽略不計(jì)。

經(jīng)過(guò)精確計(jì)算，可以得出承臺(tái)的最大水平位移量為4.2 mm。與此同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，水平位移的平均值為3.8 mm。通過(guò)對(duì)比分析，能夠發(fā)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果略高于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值。這種細(xì)微的差異可能源于土體參數(shù)的多樣性、所采用的本構(gòu)模型的特異性以及其他可能的影響因素。然而，在全面考慮各種因素后，可以證實(shí)本研究中采用的數(shù)值模型在取值上具有一定的可行性，且其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的偏差處于可接受范圍內(nèi)。

2.3基于注漿加固的橋梁樁基受力及變形特性分析

如圖4所示為注漿加固和未注漿加固橋梁樁基受力位移的幅度對(duì)比分析。由圖4可以看出，兩種樁基礎(chǔ)的樁身位移分布展現(xiàn)出高度的相似性，都隨著深度的遞增而逐漸減小。通常情況下，樁頂或其相鄰區(qū)域會(huì)出現(xiàn)最大的位移，無(wú)論是近樁還是遠(yuǎn)樁，在樁頂?shù)奈恢?，位移的量都是相同的。在沒(méi)有進(jìn)行注漿加固的前提下，遠(yuǎn)外樁的位移最為明顯，其次是近外樁，而遠(yuǎn)內(nèi)樁的位移則相對(duì)較小。但是，在對(duì)樁的周?chē)寥肋M(jìn)行注漿加固之后，可以清晰地看到相鄰樁基的樁身位移明顯減少，與未加固的情況相比，降幅相當(dāng)大。這一觀察結(jié)果有力地證明了注漿加固技術(shù)在控制樁身位移變形方面的卓越效果。

3注漿加固對(duì)橋梁樁基受力及變形的影響因素分析

通過(guò)對(duì)注漿加固與未加固土體的樁身位移特性進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)在基坑的挖掘過(guò)程中，采用注漿加固方法可以明顯地控制相鄰樁基的受力和變形。由于漿液本身性質(zhì)和土體物理力學(xué)特性的復(fù)雜性以及施工工藝等方面因素的影響，使得注漿工藝與樁身結(jié)構(gòu)之間存在著復(fù)雜關(guān)系，進(jìn)而會(huì)直接影響到鄰近樁基的穩(wěn)定性。但是，在實(shí)際的施工過(guò)程中，確定注漿參數(shù)往往依賴于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，這種基于經(jīng)驗(yàn)的取值可能會(huì)導(dǎo)致參數(shù)過(guò)大或過(guò)小，從而給工程造成不必要的損失。因此，有必要通過(guò)數(shù)值模擬手段來(lái)探究注漿參數(shù)與鄰近樁基應(yīng)力、應(yīng)變和位移等方面的關(guān)系。為了更加科學(xué)地研究不同加固參數(shù)對(duì)相鄰樁基受力變形的影響，本研究采用了Abaqus有限元分析軟件，對(duì)注漿加固的寬度和深度進(jìn)行了深入的研究。通過(guò)模擬結(jié)果分析，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論，以期能為類(lèi)似的工程項(xiàng)目提供有價(jià)值的參照。

3.1注漿加固寬度對(duì)橋梁樁基受力及變形的影響

本研究采用緊靠樁身的注漿技術(shù)，在注漿深度設(shè)定為8 m的基礎(chǔ)上，對(duì)不同注漿寬度進(jìn)行了全面研究，包括未加固狀態(tài)（0 m）及5.4 m、10.6 m、14.6 m、20.6 m、24.6 m、30.6 m等多種寬度?；谙马?yè)圖5所展示的結(jié)果，本研究詳細(xì)探討了不同注漿加固寬度下鄰近樁身位移隨深度的變化規(guī)律。研究結(jié)果揭示，在不同的注漿寬度條件下，樁身的側(cè)向移動(dòng)趨勢(shì)大體一致，并且隨著注漿寬度的逐漸擴(kuò)大，樁頂位置的樁身位移也逐步減少。對(duì)于不同長(zhǎng)度和直徑的錨桿，其樁底沉降均隨注漿寬度增大而減小，并且錨桿越長(zhǎng)，這種變化越明顯。尤其在注漿寬度相對(duì)較小的情況下，樁身位移更為明顯，并且最大的位移通常集中在樁頂附近的區(qū)域。然而，當(dāng)注漿的寬度＞14.6 m時(shí)，其對(duì)樁身位移的作用變得微乎其微，此刻樁身位移逐漸穩(wěn)定，而樁頂位移依然是最為顯著的。這項(xiàng)研究表明，注漿加固的效果與注漿的寬度是正向關(guān)聯(lián)的，但當(dāng)寬度超出某個(gè)特定的界限時(shí)，加固的效果增長(zhǎng)將變得不那么顯著。此外，如圖6所示也進(jìn)一步揭示了樁身最大位移與加固寬度的相互關(guān)聯(lián)。從圖6可以清楚地觀察到，當(dāng)注漿加固的寬度＜14.6 m時(shí)，樁身的最大位移以一個(gè)相對(duì)較大的斜率逐步降低；當(dāng)加固的寬度＞14.6 m時(shí)，斜率的減少幅度明顯減小。由此可見(jiàn)，通過(guò)精確控制注漿寬度（當(dāng)注漿寬度為14.6 m時(shí)），能夠有效地控制樁身位移，從而提升工程結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

3.2注漿加固深度對(duì)橋梁樁基受力及變形的影響

本次研究專(zhuān)注于探討注漿加固深度與樁身位移之間的關(guān)系。為了確保研究的全面性和準(zhǔn)確性，設(shè)定了注漿加固寬度為14.6 m，并系統(tǒng)地改變了注漿深度，具體取值涵蓋了從0 m（即未進(jìn)行注漿）到2 m、4 m、6 m、8 m以及12 m的一系列深度。這樣的設(shè)定旨在深入剖析注漿加固深度對(duì)樁身位移的影響。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)詳細(xì)記錄在圖7中，以便進(jìn)行深入的分析和討論。從宏觀的視角審視試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)樁身位移隨著注漿加固深度的增加而逐漸減小。然而，當(dāng)注漿加固深度＞4 m后，樁身位移量趨于穩(wěn)定，不再隨注漿加固深度的進(jìn)一步增加而明顯變化。這表明在一定深度范圍內(nèi)增加注漿加固深度可以有效地減小樁身位移。但值得注意的是，當(dāng)加固深度達(dá)到一定閾值后（即4 m），其對(duì)樁身位移的改善效果將逐漸減弱并趨于飽和。這一結(jié)論對(duì)于優(yōu)化工程設(shè)計(jì)和確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要意義。

根據(jù)圖8所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)趨勢(shì)可以清晰地觀察到，隨著注漿加固深度的不斷增加，曲線割線的斜率呈現(xiàn)出較大幅度的逐漸減小。但當(dāng)加固深度超越4 m這一關(guān)鍵閾值時(shí)，曲線割線斜率的降低速度顯著減緩，同時(shí)其變化范圍也大幅縮減。這一重要觀測(cè)結(jié)果揭示了一個(gè)現(xiàn)象：在加固深度＞4 m后，注漿加固的效用開(kāi)始顯著下降，其對(duì)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用也相應(yīng)大幅降低。

4結(jié)語(yǔ)

本研究以廣西南湛高速公路南流江特大橋?yàn)閷?shí)際案例，通過(guò)Abaqus有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬及對(duì)比、分析注漿加固對(duì)橋梁樁基受力及變形的特性，并深入研究其影響因素，得出了在本項(xiàng)目的實(shí)際施工中，最佳注漿加固的寬度為14.6 m，最佳注漿加固的深度閾值為4 m的結(jié)論。本研究的實(shí)際工程案例應(yīng)用可為今后類(lèi)似研究提供理論資料，從而助力我國(guó)橋梁工程施工的進(jìn)步，提升我國(guó)橋梁建設(shè)的質(zhì)量和安全性，保障交通運(yùn)輸?shù)捻槙撑c高效。

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作者簡(jiǎn)介：甘夏連（1994—），助理工程師，主要從事高速公路建設(shè)計(jì)量工作。