吳 濤

(遼陽市交通運(yùn)輸事務(wù)服務(wù)中心 遼陽市 111000)

0 引言

砂土液化是一種極具破壞性的地質(zhì)災(zāi)害。砂土液化有可能引起地面下沉、地基土承載力喪失、樁基失穩(wěn)及橋梁坍塌等工程問題,對(duì)人民群眾財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成重大威脅。因此,充分分析砂土液化問題對(duì)掌握橋梁樁基液化災(zāi)變及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要意義。

砂土液化問題實(shí)體工程評(píng)估方面,謝瑞杰等[1]以銅陵市水木沖尾砂庫為例,研究發(fā)現(xiàn)飽和尾粉砂和尾細(xì)砂易在地震作用下產(chǎn)生液化。郭竟語等[2]針對(duì)孟加拉地區(qū)典型砂土進(jìn)行液化分析得到,在相同條件下,孟加拉砂比廈門標(biāo)準(zhǔn)砂更易液化。劉鋼等[3]以遼寧臺(tái)安地區(qū)為例,探究臺(tái)安砂土在動(dòng)荷載作用下動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律,在循環(huán)荷載作用下,臺(tái)安砂土呈現(xiàn)初期整體受壓、中期拉壓平衡、后期受拉凸顯的動(dòng)力響應(yīng)特征。張?zhí)煸猍4]對(duì)南水北調(diào)中線工程總干渠安陽段進(jìn)行砂土液化分析,提出在設(shè)計(jì)和施工時(shí)須考慮采用加密法、換土法等方法來消除地基液化問題。劉莎莎[5]以北拒馬河沖積扇為例,基于室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果揭示了北拒馬河沖積扇飽和砂土的動(dòng)力學(xué)特性。

室內(nèi)單元試驗(yàn)中,葉斌等[6]在細(xì)觀尺度使用離散元軟件分析得到,濕搗法制備砂土試樣比落砂法試樣的各向異性程度更小,液化所需的加載循環(huán)次數(shù)更多。倪雪倩等[7]基于室內(nèi)試驗(yàn),引入液-固相變參數(shù),建立了可統(tǒng)一描述液化后土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。陳育民等[8]將一定條件下的液化砂土視為剪切稀化非牛頓流體,且在剪切稀化狀態(tài)下可發(fā)生較大的應(yīng)變。綜上所述,砂土液化問題分析是保證工程可靠性與安全性的重要分析過程,是橋梁設(shè)計(jì)、道路改擴(kuò)建中必不可少的一環(huán)。

鑒于此,文章以遼陽市小北河太子河特大橋?yàn)槔?分析砂土液化對(duì)太子河大橋施工設(shè)計(jì)的影響,探究太子河大橋樁基及承臺(tái)在砂土液化下的合理埋置深度,探究不同樁長下樁激勵(lì)振動(dòng)對(duì)砂土的細(xì)觀運(yùn)動(dòng)特性影響,從而揭示砂土液化與樁基振動(dòng)對(duì)橋梁工程的影響機(jī)理。

1 太子河特大橋概況與設(shè)計(jì)要求

1.1 項(xiàng)目概況

小北河太子河特大橋位于遼陽市西北側(cè),省道沈環(huán)線利用該橋跨越太子河。原小北河大橋建于1986年,橋長231m,橋面凈寬7m。2023年開展改擴(kuò)建設(shè)計(jì),起點(diǎn)位于沈環(huán)線樁號(hào)K207+500處,橋梁中心樁號(hào)為K209+045,終點(diǎn)位于小北河鎮(zhèn)內(nèi)與縣道佟高線交叉,終點(diǎn)樁號(hào)為K210+441.324,路線全長2.941km。設(shè)計(jì)速度為60km/h,公路路面凈寬10.5m。橋梁方案為30m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁。

1.2 地質(zhì)概況

小北河太子河特大橋場(chǎng)地地層以第四系沖洪積粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂及粉土為主。根據(jù)地下勘探結(jié)果,在地下15m范圍內(nèi)存在存在填筑土①1、粉砂④1、細(xì)砂③2、細(xì)砂③1、粉質(zhì)粘土②1、粉質(zhì)粘土②2、粉砂④2、粉質(zhì)粘土⑤1、粉質(zhì)粘土⑤2、粉土⑤3等。其中飽和狀態(tài)為:粉細(xì)砂③1、細(xì)砂③2、砂④1、粉砂④2,其余不屬于飽和狀態(tài)。地層由淺到深地質(zhì)條件及力學(xué)特征見表1與表2。

表1 地層地質(zhì)條件

表2 地層力學(xué)特征

1.3 設(shè)計(jì)要求

小北河太子河特大橋設(shè)計(jì)滿足《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 004—2005)以下條文要求:

(1)存在飽和砂土或粉土的地基,當(dāng)?shù)卣饎?dòng)峰值加速度≥0.1g時(shí)應(yīng)進(jìn)行液化判斷,存在液化土層的地基,應(yīng)根據(jù)構(gòu)造物的抗震設(shè)防類別地基液化等級(jí),采取相應(yīng)措施。

(2)當(dāng)?shù)孛嬉韵?5m范圍內(nèi)有飽和砂土或飽和亞砂土?xí)r,可初步判斷有可能液化。

(3)用樁基時(shí),樁端伸入液化深度以下穩(wěn)定土層中的固定長度不小于1.5m。

(4)存在液化地基的樁基,液化土層的樁周摩擦力、水平抗力均宜乘以液化影響折減系數(shù)。

2 砂土液化分析

2.1 地震液化評(píng)價(jià)

文章根據(jù)《公路工程抗震規(guī)范》(JTG B02—2013),對(duì)第3層細(xì)砂,第4層粉砂及第5層粉土進(jìn)行液化判別。第3層細(xì)砂、第4層粉砂和第5層粉土地質(zhì)年代為全新世,又以其上覆非液化土層厚度du和地下水位深度dw之間的關(guān)系判斷,均在考慮液化影響范圍之內(nèi)。文章結(jié)合本項(xiàng)目地區(qū)地震效應(yīng),根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)粉砂、粉土中的黏粒含量及標(biāo)準(zhǔn)貫入數(shù)據(jù)等,重點(diǎn)就鉆孔液化等級(jí)與液化深度展開研究,經(jīng)計(jì)算確定砂土層局部存在砂土液化現(xiàn)象,具體砂土液化情況見表3。

表3 砂土液化情況調(diào)查表

2.2 不考慮振動(dòng)液化的樁長計(jì)算

文章選取典型3#墩樁及鉆孔ZK13為分析對(duì)象,進(jìn)行樁長計(jì)算。ZK13土層分布為6m厚的粉質(zhì)粘土②1、7.2m厚的細(xì)砂③1、3.6m厚的粉質(zhì)粘土②2、8.0m厚的粉砂④2、10.8m厚的粉砂④3、9.1m厚的細(xì)砂③3,總厚度44.7m。

文章依據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3363—2019)鉆孔灌注樁單樁軸向受壓承載力特征值即式(1)對(duì)樁長進(jìn)行計(jì)算:

(1)

式中:Ra為單樁軸向受壓承載力特征值,取值為5100kN;u為樁身周長,單位m;Ap為樁端截面面積,單位m2;n為土層數(shù);li為承臺(tái)底面或局部沖刷線以下各土層的厚度,單位m;qik為與li對(duì)應(yīng)的各土層與樁側(cè)的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值,單位kPa,各層qik取值見表4。qF為修正后的樁端土承載力特征值,單位kPa。計(jì)算得到樁長L為43.67m,取值為44m。

表4 各地層qik取值

2.3 砂土液化后樁長計(jì)算

在15m深度范圍內(nèi),土層分布為6m厚的粉質(zhì)粘土②1,7.2m厚的細(xì)砂③1,1.8m厚的粉質(zhì)粘土②2。僅細(xì)砂③1處于飽和狀態(tài),故應(yīng)進(jìn)一步考慮砂土液化問題。文章對(duì)Ra單樁軸向受壓承載力特征值進(jìn)行重新計(jì)算,按照偶然作用組合,為2570kN。小北河太子河特大橋根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 004—2005),屬于B類橋梁,不考慮豎向地震力。

文章以ZK13為主要分析對(duì)象,土層分布為6m厚的粉質(zhì)粘土②1,承載力基本允許值為120kPa。7.2m厚的細(xì)砂③1,承載力基本允許值為140kPa。3.6m厚的粉質(zhì)粘土②2,承載力基本允許值為140～160kPa。8.0m厚的粉砂④2,承載力基本允許值為120kPa。10.8m厚的粉砂④3,承載力基本允許值為160kPa。9.1m厚的細(xì)砂③3,承載力基本允許值為260kPa,總厚度44.7m。其標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)修正系數(shù)Cn為0.89,實(shí)測(cè)土層的修正標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N1=9.79,液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)Ncr=10.4714,其中N1小于Ncr,可判斷為液化。液化指數(shù)Ce=0.935,為輕微液化。故按照規(guī)范液化折減系數(shù)取值,重新計(jì)算細(xì)砂③1樁周摩擦剪應(yīng)力τ=23.3kPa。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3363—2019)鉆孔灌注樁摩擦樁計(jì)算公式,計(jì)算樁長僅需滿足36m即可。

3 不同樁基長度下砂土運(yùn)動(dòng)特性

3.1 離散單元法

離散元法的本質(zhì)是將連續(xù)體離散化為離散單元體,并在計(jì)算過程中滿足以下基本假定:

(1)離散體顆粒單元為剛度很大的球體。

(2)顆粒之間的接觸范圍很小,假定為點(diǎn)接觸。

(3)顆粒之間的接觸特性為柔性接觸,允許顆粒之間出現(xiàn)一定的重疊量,但重疊量相比于顆粒單元尺寸很小。

(4)顆粒單元接觸處可設(shè)置包括剛度、黏結(jié)強(qiáng)度等在內(nèi)的細(xì)觀參數(shù)。

文章將地基離散化為均質(zhì)的球體,以Wall來代替剛性的樁基礎(chǔ),深入分析樁基振動(dòng)對(duì)周圍砂土細(xì)觀力學(xué)特性的影響。

3.2 模擬分析結(jié)果

采用分層壓縮法進(jìn)行成樣,并刪除部分顆粒生成樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)如圖1所示。

圖1 樁基礎(chǔ)示意圖

對(duì)樁基施加正弦波進(jìn)行垂直方向振動(dòng),同時(shí)對(duì)樁基底部水平方向由遠(yuǎn)及近4點(diǎn)進(jìn)行速度監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)情況如圖2所示。

圖2 樁基礎(chǔ)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖

考慮模型精度與軟件計(jì)算效率,假定淺樁基礎(chǔ)為1.5m,中樁基礎(chǔ)為2.2m,深樁基礎(chǔ)為3.0m。對(duì)不同樁長下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析,不同樁長下監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線如圖3～圖5所示。

圖3 淺樁基礎(chǔ)振動(dòng)時(shí)程曲線

圖4 中樁基礎(chǔ)振動(dòng)時(shí)程曲線

圖5 深樁基礎(chǔ)振動(dòng)時(shí)程曲線

由圖3～圖5可知,隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)離樁基距離的增加,其振動(dòng)是越弱的。淺樁基礎(chǔ)對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)影響是明顯大于其他兩類的。由圖4和圖5可知,監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)效應(yīng)并未隨著樁長的增加發(fā)生明顯的減弱現(xiàn)象。但在加載后期,監(jiān)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)隨著樁長的增加而逐漸穩(wěn)定。

不同樁長下監(jiān)測(cè)點(diǎn)在樁基振動(dòng)初期0～0.2s內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖6～圖8所示。

圖6 淺樁基礎(chǔ)初期運(yùn)動(dòng)狀態(tài)曲線

圖7 中樁基礎(chǔ)初期運(yùn)動(dòng)狀態(tài)曲線

圖8 深樁基礎(chǔ)初期運(yùn)動(dòng)狀態(tài)曲線

由圖6～圖8可知,A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)明顯強(qiáng)于B、C、D點(diǎn)。且隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)樁基距離的增加,監(jiān)測(cè)點(diǎn)所受的振動(dòng)影響收到明顯減弱。圖8中A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)曲線更為規(guī)律,這說明隨著樁基長度的增加,使得砂土在加載初期運(yùn)動(dòng)變異性降低。建議在工程中采取較長樁基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

以遼陽縣小北河太子河特大橋?yàn)槔?對(duì)其地面砂土進(jìn)行液化分析,具體結(jié)論如下:

(1)小北河太子河特大橋地面以下15m范圍內(nèi)存在填筑土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂和粉砂多種土層,細(xì)砂存在砂土液化現(xiàn)象,水平為輕微液化。

(2)小北河太子河特大橋設(shè)計(jì)樁長超過15m,具有足夠的安全性與可靠性。

(3)實(shí)體工程需考慮砂土液化的影響,樁長小于設(shè)計(jì)樁長時(shí),實(shí)際樁長還需基本組合控制設(shè)計(jì)。

(4)樁長的增加有利于周圍砂土運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的穩(wěn)定性,但合理的樁長取值才是保證實(shí)體工程的關(guān)鍵。