深厚软土地基堆载预压对邻近桥梁桩基影响分析

2022-07-13侯兰新

铁道建筑技术 2022年6期

侯兰新

(中铁建大桥工程局集团南方工程有限公司广东广州 511455)

1 引言

在深厚软土地基进行桥梁施工时，因不良地质情况引发的工程问题屡见不鲜[1-2]。因此，研究深厚软土地区堆载预压对邻近桥梁桩基的影响及应对处理措施具有重要意义。

在深厚软土段桩基附近进行不均匀堆载时，其受力行为较为复杂[3]。在多种应力耦合作用下，桩基内部会产生较大应力和变形，对桩基的正常使用造成较大安全隐患[4-5]。对此，国内外学者[6-7]主要采用数值模拟、理论计算和现场监测方法进行了大量研究。聂如松等[8]研究结果表明，ADINA可以较好地模拟堆载预压对邻近桥桩的影响；冯忠居等[9]通过Marc有限元软件分析长短桩软基处理对堆载邻近桩基的影响，并根据模拟结果提出相应的工程施工建议；宋修广[10]等基于Flamant解建立了堆载土对桩体的水平附加应力计算公式；竺明星[11]等通过深厚软土地区堆载作用下邻近单排、多排基桩的水平附加应力进行理论计算和推导，得到了被动桩的传递矩阵解，并验证了结果的正确性和可靠性；刘志明[12]利用堆载法对桥墩进行纠偏，监测结果表明，堆载预压法可以减少桩身偏移，是一种科学有效的纠偏手段。

文中以广州市南沙开发区明珠湾大桥工程为例，采用数值模拟、理论计算和现场监测三者相结合的方法研究堆载预压对邻近桩基的影响，并根据实际工程情况提出施工注意事项和施工措施，经工程实践验证，该方法可较好地指导工程安全施工。

2 工程概况

明珠湾大桥位于广州市南沙开发区，地处珠江口，全长约9.1 km，双向八车道，规划宽度60 m。跨越龙穴南水道，水域宽度1 300 m。根据区域地质资料，勘察区内覆盖土层主要以海陆交互相及河流相冲积层为主，岩性主要为淤泥质土、黏土、粉质黏土、砂土等。其中引桥段桩基上层土主要为淤泥质土，层厚在15～23 m之间。

为方便施工，需要沿桩基外围修筑施工辅道，辅道宽度10 m，坡度为1∶1.5，辅道填筑于软基之上。为了保证辅道安全，需对辅道路基范围内软基进行堆载预压。堆载土相对明暗桩交界处的高差在0～4.5 m之间，堆载土与桥梁桩基距离较近。为了研究修筑辅道对邻近桩基的不利影响，文章选取距离堆载土最近的4＃墩桩基进行分析。4＃墩桩基距离堆载土约为0.9 m，堆载差异量约为3.6 m，见图1。

图1 4＃墩桩基原始堆载差异量施工示意(单位:m)

3 理论分析计算

3.1 桩基基本参数

首先对3.6 m差异量堆载条件下的4＃墩桩基进行计算。4＃墩下部为2根直径1.8 m、桩长58 m的桩基。根据设计图纸及相关勘察报告确定桩基基本参数见表1，土层相关参数见表2。

表1 4＃墩桩基基本参数

表24 ＃墩桩基各土层基本力学参数

3.2 桩基最大水平位移及裂缝

(1)附加应力计算

根据土力学原理，可以把图1堆载土看成两侧为三角形和中间为矩形分布垂直荷载作用进行附加应力计算。坐标原点为图1左侧预压土的坡脚处。荷载强度最大值为pt，z为土层厚度，深度方向每5 m取一个计算点。按照式(1)计算两侧三角区域荷载的附加应力:

式中:σz为附加应力；m为荷载面长边和短边宽度之比；n为土层厚度和荷载面短边宽度之比。

在均布线性荷载作用下，土中任一点的附加应力由弗拉曼公式推得，即:

式中:p为竖向线荷载。

对于均布条形荷载，土中任一点的附加应力可由式(3)积分得到:

式中:x为任一点距均布条形荷载中点处的距离。

(2)沉降量计算

每层土沉降量可利用式(4)计算:

式中:ε为应变；h为土层厚度；σzi为第i层土的附加应力；Esi为第i层土压缩模量。

利用表2中土层基本参数，计算桩基每5 m位置的附加应力，再根据附加应力联立式(4)和式(5)得出桩顶处周边土体的沉降量S＝5.5 mm。

(3)水平位移计算

根据土力学水平附加应力计算方法可得出桩基各点水平方向应力，并对不同点水平附加应力进行公式拟合，得到拟合后公式:

式中:q(x)为距桩身地表处任一处的水平附加应力，kPa；x为距离地表的距离。

进行桩基水平位移计算时，将桩基简化为悬臂梁进行计算。为了保证计算结果偏于安全，假定悬臂梁固定端为软土层与硬土层交界处，即地表以下22.3 m处。根据结构力学中分布荷载q(x)与剪应力、弯矩、转角和挠度(桩基础水平位移)的关系，可以由分布荷载方程得到:

式中:V为剪力；M为弯矩；θ为转角；f为挠度(桩身水平位移)。

由式(6)～式(10)得出桩基最大水平位移为31.3 mm，超过规范值规定的10 mm。

(4)桩身最大裂缝计算

考虑到桩身在附加应力的作用下，沿桩身会产生弯矩，最大弯矩处即最大裂缝处。具体计算方法可按式(11)和式(12)计算钢筋混凝土构件的最大裂缝宽度:

各参数的具体含义可参照《混凝土结构基本原理》，本文不再赘述。

由式(11)和式(12)得ωmax＝0.18 mm，最大裂缝未超过规范值0.2 mm。

4 有限元模拟分析

4.1 建立模型

首先要确定有限元模型尺寸。一般情况下，为减小边界效应对模型的影响，高度一般不小于1.5～2倍桩长，长度和宽度不小于10倍桩径。由表1可知4＃墩桩基的桩长和桩径，并考虑堆载土宽度，最终确定该模型高度取100 m，长度取75 m，宽度取50 m。

桩基和承台混凝土采用弹性模型，围岩和堆载土采用ABAQUS中的M-C(Mohr-Coulomb)模型，该模型适用于岩石和土壤等颗粒状材料。网格划分方法为sweep，为保证网格划分的均匀性，采用中性轴法。桩基、承台和土体的单元类型为减缩积分实体单元C3D8R。土体和桩基模型网格划分如图2所示。

图2 土体与桩基模型网格划分

4.2 土体和桩基材料参数

根据工程钻孔柱状图确定土质及层厚。各层岩土相关参数见表1和表2。

4.3 模型荷载、边界条件及接触

通过给土体、桩基、承台和堆载土添加重力来模拟其自重效应，同时根据设计图纸计算承台上部结构的自重。在承台上施加一均布荷载P，经计算P＝648 kPa。为保守计算，承台均布荷载模拟值P取700 kPa。用ABAQUS中的生死单元功能来控制堆载土重力的生效时机。桩基与土体之间采用面-面接触，法向为“Hard”Contact，切向为“Friction”Coefficient，将桩基作为主面、土体作为从面。对模型左右和前后面施加x、y方向约束，对底面施加x、y、z三个方向约束。

4.4 计算结果验证

进行模型计算，得到初始地应力如图3所示。根据土层重度和土层厚度进行计算，验证初始地应力平衡状态下模型的正确性。土体具体参数见表2，计算公式:

通过计算得到土体底面重力为1.996×106N，与图3中初始地应力平衡状态下的底面重力一致。

图3 初始地应力平衡

4.5 计算结果及分析

通过“Creat XY Date”中的“ODB Field Output”命令选取桩顶的“Unique Nodal”，用Edit XY Date提取数据，得到桩顶最大水平位移为27.2 mm，顺桥向桩基最大位移为0.2 mm，桩基竖向位移为4.3 mm。由理论计算数据和模拟数据可知，桩基沿顺桥方向的偏移和沉降量均符合规范要求，但桩顶水平偏移较大，超过了《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)中的最大允许水平偏移值10 mm。

桩基每5 m划分一个截面，将提取的弯矩值与计算值对比并绘制出图形，如图4所示。

图4 4＃墩桩基计算弯矩与模拟弯矩对比

由图4可知，模拟值和计算值最大差值在最大弯矩值处，二者相差约14.1%，进一步验证了数值模拟的正确性。

5 施工建议及监测数据对比分析

5.1 施工建议

通过理论计算和数值模拟结果可知，当按照原始差异量进行堆载，桩顶的水平位移将会超出规范值。另外，虽然桩身最大裂缝宽度满足规范，但也比较接近限值。经综合考虑，对原始堆载差异量进行优化，采用理论计算和数值模拟对不同堆载差异量工况进行计算，分析得出桩基优化堆载差异量方法:对桩基范围内全断面先进行预压2.7 m(见图5)，再按照设计辅道范围堆载预压，其预压差异量由原来的3.6 m变为0.9 m，可以有效减少桩基的水平位移。施工方案调整后对4＃墩桩基进行理论计算和数值模拟，结果表明:理论计算和数值模拟桩基的最大水平位移分别为4.6 mm和4.2 mm，桩身最大裂缝宽度为0.02 mm。桩基的最大水平位移和桩身最大裂缝宽度均符合规范要求。同时，对堆载预压施工提出以下建议:

图5 4＃墩桩基优化堆载差异量后施工示意(单位:m)

(1)对于桩基上层土质较软且含水量大的局部区域，需在软基处理后再进行堆载预压。

(2)堆载土时，需同时在桩基两侧对称堆载，且每层填土厚度不宜大于30 cm。压实后，对堆载土的压实度进行检测，并保证桩基两侧土体压实度一致。

(3)当临时辅道设计预压填土标高大于桩基附近设计预压填土标高时，应当从靠近桩基一侧均匀向外填土。

(4)计算和模拟结果的可靠性取决于地质勘察报告和实际工程地质的吻合度，地质勘察报告和实际工程地质情况的差异将会导致理论分析和数值模拟结果与实际结果产生偏差。因此在施工过程中必须加强监测，每施工一道工序，应立即进行监控量测并与施工前相比较，如发生较大偏移应立即停止施工，可采用堆载反压、开挖卸载、水平顶推和应力释放孔联合纠偏等措施。