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指導。

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?，在大直徑樁基設(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，會導致樁身產(chǎn)生剪切變形。樁頂?shù)乃轿灰圃龃?，導致樁體的彎矩增加，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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