大直徑橋梁樁基承載力性能分析

摘要：依托某橋梁樁基施工工程，采用數(shù)值模擬方法，建立橋梁大直徑樁基三維數(shù)值分析模型，對大直徑樁基樁身軸力、樁側(cè)阻力、樁頂位移及樁身彎矩與剪力隨樁體深度的變化規(guī)律開展研究。結(jié)果表明：隨著樁身深度的增大，樁身軸力逐漸減小，樁側(cè)阻力呈現(xiàn)出增大減小再增大再減小的趨勢；在樁體深度為0～20m范圍內(nèi)，樁身彎矩和剪力有明顯變化，20m以下深度樁身彎矩和剪力幾乎為0；該工程大直徑樁基的豎向及水平承載力均滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：大直徑橋梁；樁基；承載能力；數(shù)值模擬

0" "引言

橋梁的安全性和穩(wěn)定性直接關(guān)系到交通網(wǎng)絡(luò)的可靠運行，而樁基作為橋梁的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，承載著橋梁上部結(jié)構(gòu)的所有荷載，起著至關(guān)重要的作用[1]。隨著橋梁工程的環(huán)境和地質(zhì)條件向更加復(fù)雜和嚴苛的方向發(fā)展，大直徑樁基在不同地質(zhì)條件下的承載性能問題日益凸顯。尤其是在復(fù)雜地質(zhì)條件和惡劣環(huán)境下，如何有效評估大直徑樁基的承載力性能，確保其在全壽命周期內(nèi)的安全可靠性，成為工程界亟待解決的難題[2-3]。目前，已經(jīng)有多位學(xué)者針對大直徑樁基承載力性能開展了相關(guān)研究，高魯超等[4]通過離心機試驗和修正p-y曲線模型研究了水泥土中大直徑單樁的水平承載性能，發(fā)現(xiàn)水泥土加固顯著提高了樁基水平承載力、初始剛度和極限承載力，驗證了所提計算模型的合理性。劉暢博等[5]研究砂土地基中大直徑單樁的破壞模式、初始剛度和極限抗力隨樁徑與深度的變化規(guī)律，提出并驗證了修正后的雙曲線模型可準確預(yù)測大直徑單樁的水平承載性能。

現(xiàn)有研究中，針對大直徑橋梁樁基承載特性的研究相對缺乏，鑒于此，本文依托某橋梁樁基施工工程，采用數(shù)值模擬方法，對橋梁大直徑樁基豎向及水平承載性能開展研究，以為大直徑橋梁樁基設(shè)計和施工以及提升橋梁工程的安全性和可靠性提供科學(xué)指導(dǎo)。

1" "工程概況

某工程橋梁采用大直徑樁基，樁體長度為92m，直徑為2m，樁身混凝土強度等級為C30，樁身持力層為頁巖層。橋梁地基土層由上至下依次為粉質(zhì)黏土層、中砂層、碎塊石土層和頁巖層。橋墩樁基采用兩根大直徑群樁，樁間距為7m。為評估大直徑樁基的承載性能，采用數(shù)值模擬方法模擬樁體加載過程。

2" "數(shù)值模型與材料參數(shù)

2.1" "模型建立及基本假設(shè)

基于實際橋梁樁基施工工程，建立大直徑橋梁樁基三維數(shù)值分析模型，模型深度為120m，長度及寬度均為40m。在模擬過程中，假設(shè)地基土層和樁體為均質(zhì)材料，在各個方向上具有相同的物理和力學(xué)性質(zhì)。假設(shè)土層為連續(xù)介質(zhì)，不考慮局部的不連續(xù)性和缺陷。假設(shè)樁和土體在界面處的位移協(xié)調(diào)，考慮相對滑移和相互作用力。

采用三節(jié)點單元對模型進行網(wǎng)格劃分，將單元尺寸設(shè)置為2m，對樁體附近進行局部網(wǎng)格加密，以提升計算精度。網(wǎng)格劃分完畢后，共有節(jié)點數(shù)21913個，單元數(shù)122372個。橋梁大直徑樁基三維數(shù)值分析模型示意圖如圖1所示。

2.2" "邊界條件及模型參數(shù)

將模型底面設(shè)置為固定約束，限制各個方向位移，模型四周約束水平方向位移，模型上表面設(shè)置為自由邊界。在模擬開始前，首先對模型初始狀態(tài)進行模擬，清除由地基土層自身重力所產(chǎn)生的位移，隨后進行大直徑樁基靜力加載模擬。加載采用分級進行，共分為十級，極限承載力為93000kN。數(shù)值模型各部分材料參數(shù)如表1所示。

3" "模擬結(jié)果分析

3.1" "樁身軸力分析

樁身軸力隨深度變化曲線如圖2所示。觀察圖2可知，隨著樁體上部施加荷載等級的增大，樁體不同深度的樁身軸力逐漸增大。樁體在承受荷載時，荷載通過樁身傳遞到樁基底部。上部荷載的增加使得樁身在各個深度的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致軸力增大。沿樁身向下隨著樁身深度的增大，樁身軸力逐漸減小，且隨著施加荷載等級的增大，樁身軸力的減小幅度增大。

在樁頂施加荷載時，荷載通過樁身傳遞到樁底，樁與土體之間的側(cè)摩阻力逐漸抵消部分荷載，導(dǎo)致軸力隨深度增加逐漸減小。隨著施加荷載等級的增大，樁身上部荷載增加，導(dǎo)致側(cè)摩阻力也相應(yīng)增加，從而使軸力的減小幅度更大。

在樁頂位置樁身軸力最大，樁端位置樁身軸力最小，隨著樁體上部荷載的增大，相同深度位置樁身軸力的下降幅度有所減緩，側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮，表明尚未達到樁身極限承載能力，樁基承載能力未完全發(fā)揮?；诖耍诖笾睆綐痘O(shè)計過程中，應(yīng)以樁基荷載傳遞規(guī)律和承載力特征為依據(jù)，不斷優(yōu)化設(shè)計。

3.2" "樁側(cè)阻力分析

樁側(cè)阻力隨深度變化曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著施加荷載的增大，樁體不同深度的樁側(cè)阻力呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。荷載增加時，樁體下沉，樁周土體受到擠壓，產(chǎn)生更大的剪切應(yīng)力，從而提高了樁側(cè)阻力。同時，土體的密實度和摩擦力也隨著荷載的增加而增大，導(dǎo)致樁側(cè)阻力逐漸增加。

在不同地基土層樁側(cè)阻力發(fā)揮有所差異，但在不同等級荷載下，樁側(cè)阻力隨深度的變化趨勢基本相同，均表現(xiàn)出在1.5m深度內(nèi)基本為0。在1.5～10m深度樁側(cè)阻力逐漸增大，且隨著施加荷載的增大，樁側(cè)阻力增幅逐漸增大。在10～55m深度樁側(cè)阻力逐漸增大，在55～82m深度樁側(cè)阻力再次增大并在82m深度位置達到最大，隨后呈現(xiàn)出減小趨勢。

總體上，樁側(cè)阻力隨深度變化呈現(xiàn)出增大減小再增大再減小的趨勢，樁側(cè)阻力最大值出現(xiàn)在距離樁體底部10m位置。樁側(cè)阻力隨樁體深度變化曲線整體上呈現(xiàn)出“m”型，且隨著施加荷載的增大，不同樁體深度下，樁側(cè)阻力“m”型分布越明顯。

3.3" "樁體沉降分析

樁體荷載位移曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著施加荷載的增大，樁頂沉降值呈現(xiàn)出線性增大趨勢。在加載初期，樁基和周圍土體均表現(xiàn)出彈性變形，沉降量與荷載成正比，即表現(xiàn)出線性關(guān)系。此外，大直徑樁基能夠較均勻地分布荷載，減少了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而使得整個結(jié)構(gòu)在彈性階段的沉降表現(xiàn)為線性增加。

在最大施加荷載93000kN下，樁頂沉降最大值為61.6mm，試樁的荷載-位移曲線未出現(xiàn)顯著的降低趨勢，表明樁體的承載力滿足設(shè)計要求。在樁體位移總量中，樁身壓縮變形所占比例較大，表明樁身在承受荷載時發(fā)生明顯的軸向壓縮，在設(shè)計時應(yīng)特別注意樁身的軸向剛度，合理使用材料。

3.4" "樁身彎矩分析

水平荷載會引起樁體產(chǎn)生彎矩和剪力，導(dǎo)致樁體發(fā)生水平位移和傾斜，從而引起樁基承載力降低、樁身變形增大，甚至產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞。樁基在承受較大水平荷載時需要通過復(fù)雜的樁土相互作用來分擔荷載，影響整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此對于長度較長的大直徑樁基，不可忽略水平荷載對樁基的影響。

為探究在水平荷載下樁身彎矩和剪力分布規(guī)律，對樁頂施加荷載，使其產(chǎn)生10mm、20mm及50mm水平位移，分析樁身彎矩及剪力變化。樁身彎矩隨深度變化曲線如圖5所示。由圖5可知，在0～20m深度范圍內(nèi)樁身彎矩較大，在20m以下位置樁身彎矩幾乎為0。在0～20m范圍內(nèi)樁身彎矩呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，樁身彎矩最大值出現(xiàn)在樁體深度為5m左右位置。在淺層土壤中，樁體受到的荷載和土壤反力影響較大，導(dǎo)致彎矩增大。而在樁身較深位置，由于土壤強度增加，樁體受力逐漸減小，彎矩降低至幾乎為0。

隨著樁頂施加的水平位移和水平荷載的增大，樁身彎矩最大值逐漸增大，在樁頂施加水平荷載，使得樁身產(chǎn)生水平力，引起樁身的橫向變形。為了抵抗這種水平力，樁身會產(chǎn)生彎矩。隨著水平荷載的增大，樁身的彎矩也會增大。在不同水平位移下，樁身彎矩發(fā)展及分布規(guī)律基本一致，說明樁身水平承載力滿足要求。

3.5" "樁身剪力分析

樁身剪力隨深度變化曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，樁身剪力在0～20m深度有明顯變化，在20m以下深度樁身剪力保持不變幾乎為0。樁身剪力最大值出現(xiàn)在樁頂位置，在0～5m深度范圍樁身剪力逐漸減小，在5～20m范圍樁身剪力向相反方向呈現(xiàn)出先增大再減小的趨勢。

隨著樁頂水平位移及水平荷載的增大，樁身剪力最大值逐漸增大。在水平荷載作用下，樁體的支撐力和摩阻力之間的差異，會導(dǎo)致樁身產(chǎn)生剪切變形。樁頂?shù)乃轿灰圃龃?，?dǎo)致樁體的彎矩增加，使樁身所承受的的剪力增大。

4" "結(jié)束語

本文依托某橋梁樁基施工工程，通過數(shù)值模擬方法，探究了橋梁大直徑樁基在豎向荷載及水平荷載下的承載性能，得出以下主要結(jié)論：

隨著樁身深度的增大，樁身軸力逐漸減小，樁側(cè)阻力呈現(xiàn)出增大減小再增大再減小的趨勢；隨著樁體上部施加荷載等級的增大，樁體不同深度的樁身軸力和樁側(cè)阻力均逐漸增大。

隨著施加荷載的增大，樁頂沉降值呈現(xiàn)出線性增大趨勢，在樁體位移總量中，樁身壓縮變形所占比例較大；在最大等級荷載下，試樁的荷載-位移曲線未出現(xiàn)顯著的降低趨勢，樁體的豎向承載力滿足設(shè)計要求。

在樁身0～20m深度范圍內(nèi)樁身彎矩和剪力變化幅度較大，在20m以下位置樁身彎矩和剪力幾乎為0；樁身彎矩最大值出現(xiàn)在樁體深度為5m左右位置，樁身剪力最大值出現(xiàn)在樁頂位置。

參考文獻

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