沈 君,伍麗燕

(浙江省海鹽經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)管委會(huì),浙江 海鹽 314300)

0 引 言

在建設(shè)或運(yùn)行過程中,經(jīng)常會(huì)遇到圍堤或堆載對鄰近重要建(構(gòu))筑物(如大橋、工業(yè)廠房等)樁基礎(chǔ)產(chǎn)生影響的問題,國內(nèi)有較多的描述[1-2],主要表現(xiàn)為側(cè)向推力和軸向負(fù)摩阻力.為減少側(cè)向推力和負(fù)摩阻力,除采用地基處理手段加固上層軟土降低土體沉降和水平位移外,最為有效的方法就是采用樁筏基礎(chǔ)將上部堆載或圍堤荷載傳遞到深層較硬的土層.這種采用樁筏基礎(chǔ)作為基礎(chǔ)的圍堤或堆載,稱之為樁承式圍堤.

在嘉興港海鹽港區(qū)圍堤與杭州灣跨海大橋的穿越段,為了降低海鹽港區(qū)圍堤對杭州灣跨海大橋樁基的影響,就使用了樁承式圍堤.

圍堤主體采用土石混合式結(jié)構(gòu),堤頂寬度7.0 m,堤頂高程8.2 m,其它尺寸見圖1.

圖1 主圍堤斷面

根據(jù)規(guī)劃,擬建圍堤在北引橋A44和A45橋墩間穿越杭州灣跨海大橋.A44和A45橋墩均采用圖2所示樁基礎(chǔ),1#樁離圍堤邊緣最近.如仍采用主圍堤結(jié)構(gòu),由于大橋樁基為嵌巖樁,圍堤必然引起橋梁樁基較大的負(fù)摩阻力和水平推力作用.根據(jù)分析比較,穿越段采用樁承式圍堤,見圖3.整個(gè)穿越段由6個(gè)分離式樁筏基礎(chǔ)組成,每個(gè)基礎(chǔ)由15根長30m、直徑800mm的鋼筋混凝土樁以及長15 m,寬11.6 m、厚0.8m的筏板組成,見圖4.各筏板間設(shè)置施工縫.堤邊緣距大橋樁基中心線15 m,頂面高程為8.7 m.考慮防滲要求,在樁筏基礎(chǔ)外側(cè)采用水泥土攪拌樁進(jìn)行地基加固.

圖2 杭州灣跨海大橋北引橋A44和A45橋墩樁基礎(chǔ)

圖3 嘉興港海鹽港區(qū)大橋穿越段樁承式圍堤

本文對穿越段樁承式圍堤和主圍堤對杭州灣跨海大橋樁基的影響進(jìn)行理論分析1)吳興龍,沈 君.嘉興港海鹽港區(qū)圍涂工程與杭州灣大橋交叉工程影響與工程方案設(shè)計(jì)[R],2005.,重點(diǎn)評估負(fù)摩阻力和側(cè)向推力,從而為該工程的設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1 負(fù)摩阻力與側(cè)向推力確定

負(fù)摩阻力是由于樁周土體沉降大于樁本身的沉降而產(chǎn)生向下的下拉荷載.由于橋梁樁基為嵌巖樁,沉降較小(主要由樁本身的壓縮引起).因此通過計(jì)算大橋基樁附近土體的沉降可判定負(fù)摩阻力是否存在.而土體沉降計(jì)算與計(jì)算點(diǎn)處的應(yīng)力有關(guān).根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范》(GB50007-2002)[3],如果某點(diǎn)的豎向附加應(yīng)力 σz小于自重應(yīng)力σs的10%,認(rèn)為該點(diǎn)處土體不發(fā)生壓縮變形.因此,通過計(jì)算地基附加應(yīng)力和自重應(yīng)力,比較附加應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值(σz/σs)即可判定負(fù)摩阻力.

在確定了群樁中各基樁樁頂承擔(dān)荷載Pi和樁端、樁身分布荷載后,由于主圍堤離橋梁樁基較遠(yuǎn),由地面荷載引起地基中某點(diǎn)的彈性應(yīng)力解答可由Bousinesq解計(jì)算[4],而由樁基分布荷載(樁身和樁端荷載)引起的應(yīng)力可采用Geddes彈性應(yīng)力解答確定[4].

對于側(cè)向推力問題,由于采用樁承式圍堤,圍堤荷載全部由樁基承擔(dān),土體承擔(dān)的荷載較小,不會(huì)發(fā)生側(cè)向滑動(dòng)破壞,此時(shí)側(cè)向推力不再由土體滑動(dòng)引起,而是由樁基傳遞的荷載和主圍堤引起.由于主圍堤離橋梁樁基較遠(yuǎn),由此引起地基中某點(diǎn)的彈性應(yīng)力解答可由Boussinesq解計(jì)算,而由樁基分布荷載引起的應(yīng)力可由Mindlin應(yīng)力解確定.

對于側(cè)向推力問題,由于采用樁承式圍堤,圍堤荷載全部由樁基承擔(dān),土體承擔(dān)的荷載較小,不會(huì)發(fā)生側(cè)向滑動(dòng)破壞,此時(shí)側(cè)向推力不再由土體滑動(dòng)引起,而是由樁基傳遞的荷載和主圍堤引起.由于主圍堤離橋梁樁基較遠(yuǎn),由此引起地基中某點(diǎn)的彈性應(yīng)力解答可由Boussinesq解計(jì)算,而由樁基分布荷載引起的應(yīng)力可由Mindlin應(yīng)力解確定.

由于1#樁離圍堤距離最小,下面僅討論樁承式圍堤和主圍堤對1#樁產(chǎn)生的附加應(yīng)力,從而評價(jià)負(fù)摩阻力和水平推力.分析步驟如下:

(1)采用圍堤樁筏基礎(chǔ)分析方法計(jì)算樁筏基礎(chǔ)沉降與群樁中各樁承擔(dān)的樁頂荷載,以及荷載沿深度分布;

(2)采用Mindlin應(yīng)力解答,計(jì)算1#樁處由樁承式圍堤引起的豎向應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力;

(3)采用Boussinesq應(yīng)力解答,計(jì)算1#樁處由主圍堤、大橋段圍堤和主圍堤間過渡段引起的豎向應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力,并與(2)的計(jì)算結(jié)果疊加得到總附加豎向應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力;

(4)比較1#樁處地基豎向附加應(yīng)力和自重應(yīng)力,分析負(fù)摩阻力;

(5)根據(jù)1#樁處地基側(cè)向附加應(yīng)力和自重應(yīng)力,計(jì)算側(cè)向推力(側(cè)向地基附加應(yīng)力乘以作用面積).

2 樁頂沉降與荷載分擔(dān)比

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,土體組成和性質(zhì)指標(biāo),見表1.

由于樁長為30 m,則樁端持力層為第7層粉質(zhì)黏土.由于缺乏現(xiàn)場樁基試驗(yàn)資料,根據(jù)土層性質(zhì)和物理力學(xué)指標(biāo)以及《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-94)[5],選取樁側(cè)極限摩阻力和樁端極限阻力如表1.根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-94),取β=0,由此計(jì)算得單樁承載力為1192.8 kN,端阻比α為0.12.因此對于任意基樁,設(shè)承擔(dān)總荷載為Pi,樁端荷載為0.12 Pi,樁側(cè)線性增長線荷載總和為0.88 Pi.各樁承擔(dān)總荷載 Pi計(jì)算過程和結(jié)果如下.

樁和筏板混凝土標(biāo)號(hào)為C30,容重25 kN/m3,彈性模量取30 GPa,泊松比取0.17.假設(shè)每個(gè)樁筏基礎(chǔ)間不發(fā)生相互影響,由樁承式圍堤樁筏基礎(chǔ)分析方法計(jì)算得每個(gè)樁筏基礎(chǔ)中各樁承擔(dān)的荷載大小,見圖4.各樁承擔(dān)的荷載大小為803.5～1667.8 kN,沉降為22.4～46.8 mm.

圖4 樁筏基礎(chǔ)中各樁沉降及樁頂分擔(dān)荷載

表1 土體性質(zhì)指標(biāo)與計(jì)算參數(shù)

同時(shí),由于使用樁承式圍堤的目的在于消除圍堤對鄰近大橋樁基產(chǎn)生過大負(fù)摩阻力和側(cè)向推力的作用,此時(shí)地基土體可承擔(dān)一部分圍堤荷載,從而提高承載力安全度.這樣既不會(huì)導(dǎo)致樁基承載力過小(或相應(yīng)的地基土體承擔(dān)的荷載過大而發(fā)生破壞),另一方面又使樁承式圍堤能夠產(chǎn)生較大的沉降,降低大橋段圍堤與主圍堤之間過大的差異沉降.

3 數(shù)值模擬分析

為了能得到比較準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果,本文還對樁承式圍堤對鄰近大橋樁基的影響進(jìn)行了三維彈性和彈塑性數(shù)值模擬.通過三維數(shù)值分析,可直接確定大橋樁基應(yīng)力沿深度的分布,從而得到負(fù)摩阻力和側(cè)向應(yīng)力,以及下拉荷載和側(cè)向推力.

在彈性模型中土體和樁基都采用Hooke彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,圍堤簡化為地面荷載,荷載大小為堆載高度乘以重度(假定為18 kN/m3).

考慮結(jié)構(gòu)的對稱性,建立1/4分析模型,見圖5.

圖5 整體模型的三維數(shù)值分析網(wǎng)格

4 簡化方法與數(shù)值分析結(jié)果的比較

圖6為大橋橋墩樁基的負(fù)摩阻力沿深度變化曲線.由于大橋橋墩樁基為嵌巖樁,在數(shù)值模擬中必然會(huì)出現(xiàn)負(fù)摩阻力.由圖6的負(fù)摩阻力分布可見,最大負(fù)摩阻力僅為10.2 kPa.

圖6 負(fù)摩阻力沿深度分布

通過比較大橋段圍堤基樁沉降、樁頂分擔(dān)荷載的沉降,可以發(fā)現(xiàn):

(1)兩種彈性分析計(jì)算得到的圍堤沉降和樁頂荷載比較一致,彈性應(yīng)力解答得到的樁頂沉降和樁頂分擔(dān)荷載稍小于彈性分析結(jié)果.

(2)比較各樁承擔(dān)的總荷載和樁頂上圍堤施加的總荷載表明,樁承式圍堤的荷載主要由樁基承擔(dān),圍堤荷載通過樁基傳遞到深部土層,從而能降低圍堤堆載對鄰近橋梁樁基的影響.

因此,采用三維彈性模擬可用于分析大橋段圍堤對大橋樁基的影響.彈性應(yīng)力解答可用于確定大橋樁基的負(fù)摩阻力效應(yīng),由于彈性應(yīng)力解答不能考慮樁基的影響,很難準(zhǔn)確確定圍堤對大橋樁基的側(cè)向推力.

下面根據(jù)彈塑性和彈性分析結(jié)果,討論圍堤對大橋樁基的影響.

4.1 負(fù)摩阻力影響分析

(1)由兩種方法得到1#樁樁周土體最大附加豎向應(yīng)力/自重應(yīng)力分別為7%和9%,都小于10%,因此沿大橋基樁長度內(nèi),土體沉降和負(fù)摩阻力可忽略.

(2)由于假定大橋樁基為嵌巖樁,計(jì)算分析必定會(huì)出現(xiàn)負(fù)摩阻力.不過,由負(fù)摩阻力分布可見,最大負(fù)摩阻力僅為10.2 kPa,因此對大橋樁基的影響甚微.

(3)由彈塑性和彈性數(shù)值分析表明,1#樁的樁頂沉降分別為1.9和1.2 mm,沉降非常小,這也表明作用在1#樁上的負(fù)摩阻力可忽略不計(jì).

他被她溫?zé)岬臍庀拘?，如同搖籃里的嬰兒，緩緩睜開眼睛，看著她光潔如玉的臉龐，紅若櫻桃的小嘴，緩緩俯下身子探了下來。鼻息暖暖的，噴到了他臉上，然后是兩片薄薄的、帶著清涼的唇，那么倔強(qiáng)地一點(diǎn)點(diǎn)壓下來，柔軟的舌頭舔著他臉上的血跡。

因此,由圍堤對大橋樁基引起的負(fù)摩阻力可忽略.

4.2 側(cè)向推力影響分析

圖7～圖9為大橋橋墩樁基的側(cè)向應(yīng)力沿深度分布曲線.圖6表明,由兩種方法得到大橋橋墩1#樁樁周土體最大附加側(cè)向應(yīng)力比較吻合.總的來看,彈塑性分析中側(cè)向應(yīng)力在上部較大,在下部較小.

圖7 1#樁側(cè)向應(yīng)力沿深度分布

圖8 1#樁σx沿深度分布

圖9 1#樁σy沿深度分布

圖8、圖9表明,彈塑性分析結(jié)果與較大β值對應(yīng)的側(cè)向應(yīng)力比較一致,而彈性分析結(jié)果與較小 β值對應(yīng)的側(cè)向應(yīng)力一致.因此在工作荷載條件下,較大β值或采用彈塑性分析得到的側(cè)向應(yīng)力較準(zhǔn)確.

x和y方向最大側(cè)向應(yīng)力分別為66.1 kPa和64.7 kPa,發(fā)生深度在17～32 m范圍內(nèi).由于在3 d(d為樁徑),即約6 m深度以下的土體抗力較大,如黏土抗力可達(dá)到9 Su(其中Su為黏土的不排水剪強(qiáng)度).因此相對于土體極限抗力而言,推力很小.

由于推力相對于土體極限抗力很小,大橋橋墩1#樁x方向的最大側(cè)向變形僅為15 mm(約0.75%d),y方向的最大側(cè)向變形僅為6 mm(0.3%d),遠(yuǎn)小于側(cè)向受荷樁的允許變形(5%～10%)d,并且發(fā)生深度在17～32 m范圍內(nèi),對大橋運(yùn)營影響有限.值得說明的是,盡管y方向一側(cè)的側(cè)向應(yīng)力比x方向大,但由于主圍堤沿樁軸線對稱分布,兩側(cè)主圍堤引起y方向的應(yīng)力互相抵消,導(dǎo)致y方向變形和彎矩較小.

5 結(jié) 論

本文采用樁承式圍堤樁筏基礎(chǔ)的簡化分析方法,對嘉興港海鹽港區(qū)圍堤與杭州灣跨海大橋的穿越段樁筏基礎(chǔ)進(jìn)行了理論分析,并采用三維彈性數(shù)值方法模擬了嘉興港海鹽港區(qū)圍堤對杭州灣跨海大橋產(chǎn)生的負(fù)摩阻力和側(cè)向推力.通過上述3種方法的分析比較,結(jié)果表明:

(1)樁承式圍堤通過降低圍堤或地面堆載等荷載條件,并使得圍堤的荷載主要由樁基承擔(dān),圍堤荷載通過樁基傳遞到深部土層,從而能有效降低圍堤堆載對鄰近橋梁樁基的影響.

(2)在負(fù)摩阻力影響分析上,兩種分析方法得到的大橋橋墩1#樁樁周土體最大附加豎向應(yīng)力/自重應(yīng)力分別為7%和9%,均小于10%,因此可認(rèn)為沿大橋基樁長度內(nèi),土體沉降和負(fù)摩阻力可忽略.

(3)兩種分析方法計(jì)算得到的大橋橋墩1#樁樁周土體最大附加側(cè)向應(yīng)力比較吻合.彈塑性分析結(jié)果與較大β值對應(yīng)的側(cè)向應(yīng)力比較一致,而彈性分析結(jié)果與較小β值對應(yīng)的側(cè)向應(yīng)力一致.因此在工作荷載條件下,較大 β值或采用彈塑性分析得到的側(cè)向應(yīng)力較準(zhǔn)確.

(4)本文采用的簡化分析方法與彈性和彈塑性三維數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好,可作為樁承式圍堤結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的分析和設(shè)計(jì)方法.計(jì)算成果可為工程設(shè)計(jì)提供理論的指導(dǎo),作為類似工程的參考分析.

[1]楊 敏,朱碧堂,陳福全.堆載引起某廠房坍塌事故的初步分析[J],巖土工程學(xué)報(bào),2002(7):446-450.

[2]朱碧堂,吳興龍,楊 敏,等,樁承式圍堤對鄰近橋梁樁基的影響[J],巖土工程學(xué)報(bào),2007(7):1009-1017.

[3]中華人共和國建設(shè)部.GB50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中華人共和國建設(shè)部,2002.

[4]POULOS H G,DAVIS E H.Elastic solutions for soil and rock mechanics[M].John Wiley and Sons,Inc.,New York,1973.

[5]中國建筑科學(xué)研究院.JGJ94-94建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1995.