于洪亮 葛海芳 王 偉 蔡丹丹 沈才華 謝 淵

(1.中交南京交通工程管理有限公司 南京 211800； 2.宿遷市高速鐵路建設(shè)發(fā)展有限公司 宿遷 223800；3.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210024)

由于混凝土具有抗拉強(qiáng)度低、脆性易開裂等特點(diǎn)，鋼筋混凝土橋梁對樁基的變形控制要求很高，摩擦型樁基礎(chǔ)的承載能力發(fā)揮極大地依賴于樁周土，因此深厚軟基摩擦型橋梁樁基周圍開挖對橋梁的受力影響較大。當(dāng)樁周部分土層發(fā)生卸荷時，作為構(gòu)成樁基礎(chǔ)承載能力重要部分的側(cè)阻力會受損；開挖后形成的“邊坡效應(yīng)”也將產(chǎn)生較大水平推力[1]，但卸荷回彈效應(yīng)有時候?qū)渡沓两悼刂茣鸬椒e極作用[2]。樁周土的卸荷作用具體表現(xiàn)形式為：河流的沖刷與河床的下切[3]、臨近基坑的開挖[4]、河道的清淤拓寬[5]等形式。河床下切及基坑開挖對鄰近樁基受力狀態(tài)的研究較為豐富，而對于河道清淤開挖對鄰近樁基影響的研究卻較少。但是無論何種因素導(dǎo)致的開挖卸荷，卸荷過程的模擬殊途同歸，大多都采用生死單元法。故越準(zhǔn)確地模擬樁土相互作用，越能得到準(zhǔn)確的樁基受力狀態(tài)。劉厚全等[6-10]學(xué)者均在ABAQUS有限元軟件中將樁身與土體分別設(shè)置為主、從接觸面；樁-土接觸面的法向采用“硬接觸”，即只有當(dāng)樁土相互接觸時才傳遞應(yīng)力，否則不傳遞；切向采用罰函數(shù)形式的Coulomb摩擦定律，即當(dāng)摩擦力小于某一值時接觸面黏結(jié)在一起，但當(dāng)摩擦力大于該值時，接觸面開始滑移。一般將接觸摩擦角取為75%樁周土的加權(quán)平均內(nèi)摩擦角。王恒等[11]在Plaxis 3D中采用HS本構(gòu)模型模擬土、Embedded樁單元模擬樁，并通過特殊的界面單元來模擬樁-土間的側(cè)摩阻力。魏永建等采用有限差分軟件FLAC3D中內(nèi)置的Pile單元模擬樁基礎(chǔ)，樁土作用通過連結(jié)在節(jié)點(diǎn)上的法向與切向彈簧實(shí)現(xiàn)，彈簧的法向剛度和切向剛度取為10倍的與接觸面相鄰“最硬”土層的剛度。姜旭采用MIDAS GTS中包含最終剪力、切向剛度模量和法向剛度模量這3個參數(shù)的界面接觸單元，其中最終剪力取為側(cè)阻力，法向剛度與剪切剛度取為相鄰單元較小的彈性模量值的10～100倍。可見在樁周開挖對樁影響的數(shù)值模擬中，必須考慮樁土摩擦效應(yīng)，但摩擦系數(shù)的取值仍沒有統(tǒng)一的方法，樁與土的相互摩擦作用與靜力觸探的側(cè)壁阻力作用機(jī)理類似，因此本文提出采用以側(cè)壁阻力反算摩擦系數(shù)的方法，對橋樁嵌入河岸和遠(yuǎn)離河岸2種典型情況進(jìn)行受力性能的對比分析。

1 工程概況與數(shù)值模型構(gòu)建

1.1 工程概況

河岸護(hù)坡形式為重力式擋土墻。橋梁形式為系桿拱橋，基礎(chǔ)形式為群樁基礎(chǔ)，系桿拱橋立面示意圖見圖1；承臺下共有8根鉆孔灌注樁，承臺尺寸為17.8 m×3.0 m×1.8 m，承臺尺寸圖見圖2；鉆孔灌注樁樁徑為1.2 m。

圖1 系桿拱橋立面示意圖

圖2 承臺尺寸圖(單位：mm)

由于發(fā)展需要，對原航道的斷面寬度與深度進(jìn)行拓寬，開挖深度1.5 m，開挖至橋樁承臺前的護(hù)坡位置。由于系桿拱橋的上部荷載較大，而橋梁的允許擾動位移較小，為預(yù)測開挖對橋樁的影響程度，故進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，為橋樁的保護(hù)設(shè)計方案提供參考。

1.2 數(shù)值模型構(gòu)建

1.2.1模型建立

為減小模型計算代價，利用對稱性原則，沿河道中心線和橋梁中軸線進(jìn)行取半。由于河道較長，相同類型橋較多，選取2種典型情況進(jìn)行分析：①分離式，即基樁和岸坡分離；②嵌入式，即樁基承臺前緣位于現(xiàn)有岸坡?lián)跬翂Φ那熬墶７謩e建立2種情況的三維數(shù)值模型圖見圖3a)、b)，樁基模型圖見圖3c)。其中，X向?yàn)閮蓸蚨者B線方向，Y向?yàn)樗鞣较颍琙向?yàn)樨Q向。

地基計算范圍深53.5 m、平行于航道軸線方向?qū)?2 m、垂直于航道軸線方向長52.4 m，單元采用C3D8R，樁及樁周土體單元細(xì)化大小為0.2 m，劃分好網(wǎng)格的模型見圖3，總單元數(shù)約為51.5萬個。

圖3 三維數(shù)值模型圖

為便于分析，將靠近航道的2根基樁編為第1組，遠(yuǎn)離航道的2根基樁為第2組；靠近對稱邊界的基樁編為1號，另一根基樁為2號。故4根基樁的編號分別為1-1、1-2、2-1、2-2，基樁編號圖見圖4。

圖4 基樁編號圖

1.2.2本構(gòu)模型選擇及參數(shù)賦值

1) 地基本構(gòu)模型。地基土采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構(gòu)模型，即屈服面是由f1、f2、f3組成的六角錐面，其中：

f1=[|σ1-σ2|+(σ1+σ2) ·

sinφ]/2-c·cosφ=0

(1)

f2=[|σ2-σ3|+(σ2+σ3) ·

sinφ]/2-c·cosφ=0

(2)

f3=[|σ3-σ1|+(σ3+σ1) ·

sinφ]/2-c·cosφ=0

(3)

式中：c、φ為土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角；σ1、σ2、σ3分別為大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和小主應(yīng)力。采用非關(guān)聯(lián)流動法則，其塑性流動勢函數(shù)見式(4)～(6)。

g1=[|σ1-σ2|+(σ1+σ2) sinψ]/2

(4)

g2=[|σ2-σ3|+(σ2+σ3) sinψ]/2

(5)

g3=[|σ3-σ1|+(σ3+σ1) sinψ]/2

(6)

式中：ψ為土體的剪脹角，取內(nèi)摩擦角的1/2。

本地層存在2層非常軟弱的淤泥質(zhì)土，非常容易滑動，由于分析在設(shè)計前進(jìn)行，受條件限制，未通過試驗(yàn)取得土體的卸荷模量Eur值[12]，而是根據(jù)原始地質(zhì)勘測資料并結(jié)合P. Monaco & S. Marchetti[13]和張小平等[14]學(xué)者在大量現(xiàn)場試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)對比分析的基礎(chǔ)上獲得的關(guān)系式，近似按照卸荷模量Eur與壓縮模量Es成3倍關(guān)系對Eur取值。有限元計算參數(shù)見表1。

表1 各土層有限元計算參數(shù)

2) 樁土相互作用。在接觸設(shè)置中，樁土之間摩擦系數(shù)設(shè)置是否合理是影響模擬效果的主要因素，目前確定摩擦系數(shù)的常用方法是根據(jù)地勘報告中土體的內(nèi)摩擦角計算[15]，但此法具有一定的局限性；為更準(zhǔn)確地反映樁土之間的摩擦情況，摩擦系數(shù)應(yīng)采用靜力觸探試驗(yàn)獲得的側(cè)壁阻力并結(jié)合地層應(yīng)力反算得到：設(shè)探頭直徑為D，某一土層深度為L1～L2范圍內(nèi)的平均側(cè)壁阻力為ps，探頭和土體的摩擦系數(shù)為f，該土層頂、底面土體的自重應(yīng)力(根據(jù)土體重度和深度計算)分別為σ1、σ2，水平側(cè)壓力系數(shù)(可由試驗(yàn)獲得)為K，則有

(7)

由此可求得該土層的平均摩擦系數(shù)f為

(8)

根據(jù)靜力觸探的結(jié)果，反算得到各土層的樁土摩擦系數(shù)見表2。

表2 各土層樁土摩擦系數(shù)表

3) 樁基與護(hù)岸加固材料本構(gòu)模型。由于樁身混凝土模量較高，采故用彈性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬；護(hù)岸擋土墻及齒墻采用摩爾-庫侖彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，計算參數(shù)見表3。

表3 基樁及護(hù)岸加固材料參數(shù)表

1.3 數(shù)值模擬步驟

由于在橋梁建設(shè)前四級航道已經(jīng)存在，所以本次數(shù)值模擬將以現(xiàn)有航道現(xiàn)狀作為初始條件，從灌注樁的施工開始，具體流程如下。

1) 平衡地應(yīng)力形成初始應(yīng)力場。此階段不考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)和汽車荷載等外荷載，并將灌注樁和地基組合在一起共同形成初始應(yīng)力場，且考慮到鉆孔灌注樁泥漿的作用效應(yīng)，故在形成初始應(yīng)力場時認(rèn)為樁土之間是光滑接觸的。

2) 施加橋梁上部荷載。上部荷載僅考慮(見表4)樁身壓彎極限承載力組合值，并將其作用點(diǎn)簡化至墩梁頂。樁土之間摩擦作用在該分析步啟動。

表4 大橋樁基計算的最不利組合荷載計算值

3) 施加橋梁水平荷載。

4) 開挖三級航道。

2 分離式和嵌入式2種情況下橋樁的單側(cè)開挖擾動影響規(guī)律對比分析

2.1 樁基變形規(guī)律分析

墩梁及樁帽處關(guān)鍵點(diǎn)位移匯總見表5。

表5 墩梁及樁帽處關(guān)鍵點(diǎn)位移匯總表 mm

由表5可見，橋樁與河岸分離式情況下雖然表面上河岸邊坡對橋樁無影響，但分析顯示其開挖后樁頂最大水平位移增量為9.5 mm，最大豎向位移增量為19.0 mm。而嵌入式模型開挖后樁頂最大水平位移增量為4.1 mm，最大豎向位移增量為16.2 mm。

2.2 墩梁內(nèi)力規(guī)律分析

分離式和嵌入式2種模型的墩梁內(nèi)力、彎矩圖分別見圖5、圖6。由圖可見，分離式模型墩梁最大軸力為11 500 kN，繞Y軸的最大彎矩為4 840 kN·m；嵌入式模型墩梁最大軸力為10 700 kN，繞Y軸的最大彎矩為3 530 kN·m。

圖5 分離式模型墩梁內(nèi)力沿墩梁高度變化曲線圖

圖6 嵌入式模型墩梁內(nèi)力沿墩梁高度變化曲線圖

2.3 基樁內(nèi)力與位移分析

分離式模型基樁的軸力Fz與Y向彎矩My沿基樁深度變化曲線圖見圖7。嵌入式模型基樁的軸力Fz與Y向彎矩My沿基樁深度變化曲線圖見圖8。

圖7 分離式模型基樁內(nèi)力沿基樁深度變化曲線圖

圖8 嵌入式模型基樁內(nèi)力沿基樁深度變化曲線圖

綜合前面的數(shù)據(jù)針對三級航道開挖工況下關(guān)鍵點(diǎn)將位移、最大內(nèi)力進(jìn)行對比分析，評價不同開挖方案下樁基的安全性。

由于大橋的樁基礎(chǔ)為8樁承臺基礎(chǔ)，抵抗彎矩變形能力較強(qiáng)，同時水平荷載相對較小。由表6可知，分離式模型在豎向偏心荷載的作用下，樁身最大彎矩為721.4 kN·m，最大軸壓力為6 681 kN。嵌入式模型在豎向偏心荷載的作用下，樁身最大彎矩為399.1 kN·m，軸壓力最大7 099 kN。該模型由于承臺上有土體，因此軸力要大于分離式模型；由于重力增加，土體的抗力增加，因此樁身彎矩小于分離式模型。

表6 2種模型樁身內(nèi)力及位移比較表

相較于分離式模型，嵌入式模型的樁端位移更小，樁內(nèi)最大彎矩也相對小，但樁軸力大，總體看分離式模型相對不安全，若以規(guī)范中的6 mm為控制標(biāo)準(zhǔn)的話，該橋應(yīng)進(jìn)行加固處理，以保證橋樁的安全。

2.4 應(yīng)力分析

橋梁樁基承受的彎矩主要來自繞Y軸方向，僅考慮彎矩My與軸力Fz的組合變形作用。即提取My取極值位置處的軸壓力Fz，My產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力與Fz引起的壓應(yīng)力進(jìn)行合成，得到如表7所示的應(yīng)力比較表。

表7 2種模型樁身應(yīng)力比較表 MPa

由表7可知，2種模型的最大壓應(yīng)力值均小于樁身混凝土的抗壓強(qiáng)度，分離式模型相較于嵌入式模型壓應(yīng)力值更大；且分離式模型的4根基樁在三級航道開挖后均產(chǎn)生了不同程度的拉應(yīng)力，雖未超過混凝土的單軸抗拉強(qiáng)度值，但拉應(yīng)力的存在會導(dǎo)致樁身混凝土開裂，進(jìn)而削弱單樁承載力。

3 結(jié)語

復(fù)雜環(huán)境下橋樁單邊開挖的安全風(fēng)險大，目前規(guī)范中缺乏完善的理論設(shè)計計算方法，本文結(jié)合實(shí)際工程，提出采用側(cè)壁阻力反算樁土摩擦系數(shù)的方法建立三維精細(xì)化數(shù)值模擬模型，研究顯示，三維數(shù)值模擬技術(shù)可以有效地預(yù)測各種情況下橋樁的影響規(guī)律，不僅可以驗(yàn)證設(shè)計方案的合理性，也可為橋樁單邊開挖安全控制方案的優(yōu)化提供理論依據(jù)。研究的主要結(jié)論如下。

1) 由于兩層軟弱夾層的存在，在開挖后整體回彈位移場、河岸滑動位移場、嵌入式橋墩上覆土等多因素耦合作用下，分離式模型(橋樁與河岸分離的情況)計算的位移和內(nèi)力反而要大于嵌入式模型(橋樁嵌入河岸的情況)計算結(jié)果，最大水平位移9.5 mm，大于規(guī)范的樁頂6 mm位移控制標(biāo)準(zhǔn)，樁基內(nèi)也出現(xiàn)了最大值為1.66 MPa的拉應(yīng)力，整體不安全，建議進(jìn)行加固處理，因此在復(fù)雜地層和周邊環(huán)境中橋樁單邊開挖時建議進(jìn)行三維精細(xì)化數(shù)值模擬分析，彌補(bǔ)規(guī)范簡化設(shè)計計算導(dǎo)致的誤差，更真實(shí)地預(yù)測其安全性。

2) 橋樁單邊土層開挖的數(shù)值模擬分析過程中還應(yīng)考慮橋樁原先的施工過程，特別是橋樁是鉆孔灌注樁還是打入樁，施工方法不同，初始應(yīng)力場不同，模擬方法也應(yīng)不同，應(yīng)充分考慮其初始狀態(tài)的歷史因素，特別是樁土摩擦力作用過程的差異將對模擬結(jié)果有很大影響。當(dāng)然目前數(shù)值模擬中對應(yīng)力歷史的模擬技術(shù)還不成熟，模擬結(jié)果仍會有誤差，建議針對明顯有風(fēng)險的情況，在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，進(jìn)行實(shí)時動態(tài)反饋安全控制。