圍堰對橋下樁基力學特性影響的數(shù)值分析*

徐慶國，王星華

(中南大學土木工程學院，湖南長沙 410075)

目前，一些鐵路橋、公路橋通過一些水位線較低的湖區(qū)時，墩下樁基礎的施工通常采用筑壩圍堰。筑壩圍堰會引起地面的下沉，同時也會對鄰近群樁基礎的變形和受力產生較大影響。楊敏［1－2］等采用二維有限元對堆載作用下鄰近樁基的變形特性進行了數(shù)值分析。但是，考慮地基土固結時間的情況下，鄰近橋下群樁基礎的受力特性的研究并不多見。本文以京滬鐵路陽澄湖橋段為例，考慮圍堰固結時間，利用Flac3D軟件對圍堰作用下鄰近群樁基礎的受力特性進行數(shù)值分析，研究樁基在不同工況的受力特性，以便為工程的設計和施工提供依據(jù)，也為類似工程分析提供參考。

1 模型的建立

本項目為滬高速鐵路丹陽至昆山特大橋陽澄湖橋段，大橋在DK1226～DK1263區(qū)間通過了陽澄湖水源保護區(qū)。圖1所示為筑壩圍堰的示意圖。根據(jù)勘察報告，水下主要為幾層性質不同的粉質粘土層。承臺寬度10.5 m，樁長 55.5 m，樁徑1.0 m，平面布置方式如圖2所示。

圖1 筑壩圍堰示意圖Fig.1 Sketch of the cofferdam

為消除邊界條件對計算結果的影響，模型邊界要足夠的遠，計算模型見圖3，長度方向取104 m，寬度取74.8 m，豎向深度取80 m。圍堰底寬15 m，高4 m，湖水水深3 m，不建立湖水和圍堰的實體模型，其荷載以均布荷載的形式施加于湖水區(qū)和圍堰區(qū)，等效荷載為60 kPa，兩側圍堰邊緣距離承臺邊界分別為6.75 m和3.75 m。約束模型4個側面上的水平位移，約束模型底面各個方向位移;假設圍堰底部為不透水邊界，用free pp定義滲流力作用下該邊界孔壓的變化狀態(tài)，湖水區(qū)表面為透水邊界，孔壓不變，根據(jù)水頭高度用fix pp定義此邊界的孔壓。

圖2 基樁平面布置圖Fig.2 Layout of piles

圖3 計算模型Fig.3 Computational model

計算時，各土層的應力－應變關系近似采用修正劍橋模型(MCC)。在確定劍橋模型屈服面和應力－應變關系時只需3個試驗常數(shù):各向等壓固結系數(shù)λ、回彈系數(shù)κ和破壞常數(shù)M，其中λ和κ可以通過各向等壓試驗確定，也可以采用式(1)中前2個式子確定。M可以采用常規(guī)三軸壓縮試驗確定，也可由式(1)中第3式確定［3］。土體主要物理力學指標見表1。

式中:Cc為壓縮指數(shù);Cs為回彈指數(shù)，一般取(1/5 ～1/3)Cc，本文取1/3。

承臺采用shell單元模擬，長10.5 m，寬6.8 m，高2 m，γ =25 kN/m3，E=30 GPa，ν=0.2;樁基為摩擦性樁，采用樁結構單元pile模擬，樁－土之間的摩擦和接觸采用剪切連接彈簧和法向連接彈簧來模擬［4］，計算參數(shù)見表2，

考慮到土體的固結，數(shù)值計算時需要打開滲流模式，流體模型選擇各向同性滲流模型，滲透系數(shù)取8×10－13m2/(Pa·s)，F(xiàn)LAC3D默認土體顆粒不可壓縮，比奧系數(shù)為1，比奧模量(M)可根據(jù)式(2)計算［3］，軟件根據(jù)土體參數(shù)、滲流參數(shù)等自動設置時間步長。

式中:n為孔隙率;Kf為流體模量，對于水而言，取2×109Pa。

2 模擬結果分析

筑壩圍堰會引起其下以及周邊土體的下沉，形成沉降槽，樁基礎在沉降槽影響范圍內時，樁周土產生沉降。當樁周土產生的沉降大于樁身的沉降變形時，在樁側表面上的全部或一部分面積上將出現(xiàn)向下作用的摩阻力，也就是負摩阻力［5］。負摩阻力會使樁身發(fā)生附加壓縮和附加軸力。以下均以距圍堰最近的中心樁為研究對象。

表1 土層計算參數(shù)表Table 1 Calculation paraments of material

表2 樁單元(pile)計算參數(shù)表Table 2 Calculation paraments of pile

2.1 固結時間的影響

圖4所示為樁側摩阻力在加載前后隨固結時間沿深度的變化曲線，圖5所示為樁身軸力在加載前后隨固結時間沿深度的變化曲線。

圖4 樁側摩阻力隨固結時間的變化曲線Fig.4 The variation of side resistance of the pile with the consolidation time

圖5 樁身軸力隨固結時間的變化曲線Fig.5 The variation of the axial force of the pile with the consolidation time

從圖4可見:加載之前，樁周土的沉降是樁土相互作用的主要原因。基樁基本不發(fā)生沉降，土體沉降使基樁產生負摩阻力，負摩阻力引起的下拽力使基樁發(fā)生壓縮變形和端部沉降，將圍堰荷載傳遞到樁身，這時的樁身軸力完全是樁周負摩阻力引起的附加軸力［6］。

從圖5可以看出:加載之后，基樁軸力明顯增大，由于負摩阻力的原因，沿樁深變化表現(xiàn)為先增大，然后減小，軸力的衰減速度較大，樁端處的軸力很小，隨著圍堰固結時間的推移，樁身軸力基本穩(wěn)定，最大值出現(xiàn)在L/5(L為樁的入土長度)處。

加載之后，樁身壓縮和樁端沉降短時間內就可以完成，而地基土需要很長時間才能固結穩(wěn)定，所以樁周土的沉降變形會持續(xù)很長時間。從圖4可以看出:加載之后的很短時間內中性點的位置要高于加載之前，樁側摩阻力沿樁身呈非線性分布，隨著固結時間的推移，中性點位置向下移動并趨于穩(wěn)定。中性點以上，樁側負摩阻力先增大后減小，中性點以下樁側摩阻力隨深度呈非線性變化，各土層交界面摩阻力出現(xiàn)拐點。樁側摩阻力的產生和發(fā)展需要一個時間過程，這段時間的長短主要取決于樁周土固結完成的時間和樁身沉降完成需要的時間［7］。樁側摩阻力在樁端處表現(xiàn)出增強效應，摩阻力比較大。文獻［8］認為樁端摩阻力的增強效應是普遍存在的，但其機理尚不明確。文獻［9］中，僅對灌注樁的孔底進行處理，保持其他條件不變的情況下，測得的樁端摩阻力的也不相同。

2.2 圍堰堆載大小的影響

根據(jù)圍堰設計示意圖，圍堰等效為60 kPa的均布荷載，當圍堰高度和坡度在允許并且符合實際的情況下變化時，圍堰等效均布荷載會在40～80 kPa范圍內變化，圖6所示為樁側摩阻力在不同圍堰堆載下沿樁深的變化曲線，圖7所示為樁身軸力在不同圍堰堆載下沿樁深的變化曲線。

圖6 樁側摩阻力隨圍堰堆載大小的變化曲線Fig.6 The variation of side resistance of the pile with the cofferdam loads

圖7 樁身軸力隨圍堰堆載大小的變化曲線Fig.7 The variation of the axial force of the pile with the cofferdam loads

樁頂荷載引起的樁身壓縮和樁端刺入減弱了樁土相對位移，隨著樁身豎向壓縮位移的增大，樁側摩阻力增大到一定值后便會逐漸較小，在樁身豎向位移與樁周土沉降相同的位置，樁側摩阻力減小到0，對應該位置的樁身軸力出現(xiàn)最大值，該點處也就是中性點。中性點以下，樁身位移大于樁周土沉降，樁身受到土體向下的作用，也就是正摩阻力，對應的樁身軸力沿樁身向下迅速衰減。樁端以下土體的壓縮以及樁端的不斷刺入使負摩阻力減小，正摩阻力進一步發(fā)揮［10］。

從圖6可以看出:隨著筑壩圍堰堆載的增大，中性點的位置(圖6摩阻力零點、圖7軸力最大值點)向下移動，圍堰堆載為40，60，70和80 kPa時對應的中性點位置(距樁頂)為 7.6，7.9，8.7 和9.2 m。摩阻力、軸力以及中性點是相對應的，始終處在一個動態(tài)平衡狀態(tài)，直至穩(wěn)定。各級荷載作用下的樁身軸力曲線在中性點上下一定范圍內的變化較大，其他位置基本重合。

圍堰堆載的增大使其引起的土體沉降槽影響范圍增大，堆載越大，樁身相同位置處的樁周土沉降量越大。因此，在樁頂荷載不變的情況下，隨著圍堰荷載的增大，樁身中性點的位置向下移動。文獻［11］研究了樁頂荷載對負摩阻力的影響，認為負摩阻力樁的中性點的位置是隨著作用在樁頂?shù)拇怪焙奢d的增大而上升的，負摩阻力引起的附加軸力也是隨著作用在樁頂?shù)拇怪焙奢d的增大而減小。

3 結論

(1)加載后，樁身中性點位置向上移動，隨著土體固結時間的推移，中性點位置逐漸向下移動直至穩(wěn)定。

(2)摩阻力、軸力以及中性點位置的穩(wěn)定時間取決于樁周土的固結完成時間和樁身沉降完成時間。

(3)隨著圍堰堆載的增大，中性點位置逐漸下降，負摩阻力、軸力和中性點位置處于動態(tài)平衡狀態(tài)，直至穩(wěn)定。

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