某跨江大橋地基基礎(chǔ)穩(wěn)定性分析中的若干問題探討

仲云飛 （江蘇省建苑巖土工程勘測有限公司，江蘇 南京 210029）

某跨江大橋地基基礎(chǔ)穩(wěn)定性分析中的若干問題探討

仲云飛 （江蘇省建苑巖土工程勘測有限公司，江蘇 南京 210029）

以某跨江大橋?yàn)槔?，針對地基基礎(chǔ)設(shè)計中存在的諸如分析方法、本構(gòu)模型和接觸面單元、計算參數(shù)以及施工仿真等方面的有爭議的部分問題進(jìn)行了分析，提出了解決途徑并明確了在指導(dǎo)設(shè)計中的意義，為指導(dǎo)設(shè)計、施工提供理論指導(dǎo)。

地基基礎(chǔ)；穩(wěn)定性分析；本構(gòu)模型；施工仿真

1 工程概況

跨江大橋建設(shè)規(guī)模大、投資高、安全性問題突出，大橋基礎(chǔ)的穩(wěn)定性問題一直是交通道橋領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。某跨江大橋地基第四紀(jì)覆蓋層厚度達(dá)300m，橋墩下采用大直徑鉆孔灌注樁后注漿。由于覆蓋層厚度大，樁端實(shí)際位于相對較軟弱的土基上。對于此類超大直徑的群樁基礎(chǔ)是否穩(wěn)定、樁身軸力分布、樁承臺內(nèi)應(yīng)力、樁基礎(chǔ)沉降、水平位移與各橋墩的位移等問題都應(yīng)該明確。

大型垮江橋梁的基礎(chǔ)對沉降和變形以及受力情況有著極其嚴(yán)格的要求。某跨江大橋索塔基礎(chǔ)采用直徑2.5m，樁長120m，平均樁間距6.25m的超大、超長的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，對于大直徑、超長度以及復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的樁基礎(chǔ)設(shè)計是否能夠按照現(xiàn)有傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，是設(shè)計人員重點(diǎn)關(guān)注的問題。另外，基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)以及地基土層作為共同作用體，傳統(tǒng)的規(guī)范方法無法模擬三者的共同作用，基于現(xiàn)行規(guī)范的施工圖設(shè)計的可靠性和可信性存在一定的問題?；谏鲜隹紤]，為保證大橋在基礎(chǔ)施工及運(yùn)營期的安全，有必要對大橋地基基礎(chǔ)穩(wěn)定性分析中的幾個關(guān)鍵性技術(shù)問題進(jìn)行明確。

2 群樁基礎(chǔ)與土體共同作用研究

2.1 現(xiàn)有分析方法及不足

目前大多數(shù)研究群樁-土-承臺結(jié)構(gòu)共同作用分析方法的出發(fā)點(diǎn)都基于彈性半空間基礎(chǔ)上建立的布辛奈斯克(Boussinesq)解和明德林(Mindlin)解。兩者的相同點(diǎn)是是把地基土視為各向同性彈性體,忽略了土的非均質(zhì)性等因素，區(qū)別在于布辛奈斯克解所針對的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系都是在彈性半空間的表面，而明德林解可以在彈性半空間體內(nèi)任何一點(diǎn)。對此規(guī)范設(shè)計中作了若干簡化假定，但簡化和假定主要是基于中小型樁基的大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，實(shí)踐表明，按此計算，與實(shí)際觀測報告相比，沉降明顯偏大，設(shè)計相對偏于安全的，經(jīng)濟(jì)型有待商榷。在規(guī)范推薦公式的基礎(chǔ)上部分學(xué)者和研究人員進(jìn)行了修正和補(bǔ)充完善，取得了大量有益的成果，比如Butterfield和Banerjee[1]采用明德林位移基本解建立的彈性分析方法和Chow[2]將理論t-z曲線[3]非線性分析法。對該跨江大橋基礎(chǔ)等特大型群樁基礎(chǔ)，國內(nèi)外的實(shí)例和經(jīng)驗(yàn)均少，不能完全依賴于經(jīng)驗(yàn)的、簡化的常規(guī)設(shè)計方法，有必要引入新的思路和分析方法。

圍繞大直徑超長群樁基礎(chǔ)的承載性能研究，國內(nèi)外學(xué)者和研究人員主要從模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析入手，在此基礎(chǔ)上得到符合性驗(yàn)證結(jié)果并推薦相應(yīng)的計算方法。鑒于超大型項(xiàng)目如本文所提及的大橋，在超厚軟弱地層和復(fù)雜的水文地質(zhì)條件下研究和工程實(shí)例在國內(nèi)外還很少見，故有必要對設(shè)計中常見的幾個問題進(jìn)行明確。

2.2 基礎(chǔ)設(shè)計中的主要問題

某跨江大橋兩個主塔基礎(chǔ)場地覆蓋層厚度300m左右，樁端位于地層分布相對較穩(wěn)定及層厚較均勻的沉積地層中，樁長120m左右?；A(chǔ)的面積、體積及剛度大，同時，群樁效應(yīng)導(dǎo)致樁基的受力不均，樁基沉降大，超大樁長的摩擦樁的受力機(jī)理非常復(fù)雜[4]。設(shè)計施工中面臨的主要的技術(shù)問題是超長大直徑鉆孔灌注樁承載性能復(fù)雜，樁的受力特性、樁基沉降、軸力的分配規(guī)律等；在不同時間效應(yīng)、不同荷載工況下，復(fù)雜的水文條件下群樁的受力、沉降更為復(fù)雜。

3 解決思路

大型復(fù)雜群樁基礎(chǔ)通常根據(jù)變形進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計，對此，有限元數(shù)值分析法提供了較好的解決思路和方法，該采用數(shù)值模擬法，假設(shè)地基土水平成層，同一土層均質(zhì)，各項(xiàng)同性，土體為理想彈塑性材料，樁為線彈性材料。將樁、土、承臺一起作為脫離體分析其受力變形，在求解中自然地體現(xiàn)它們之間的共同作用。從原則上講，能夠模擬樁基的實(shí)際工作性能，如尺寸效應(yīng)，剛度影響荷載作用方式及大小。該法可以充分考慮土層的應(yīng)力應(yīng)變非線性特性，土層的非均質(zhì)性（成層性），考慮復(fù)雜的荷載狀態(tài)和復(fù)雜的樁土界面特性條件，樁土響應(yīng)的時間效應(yīng)施工效應(yīng)及群樁效應(yīng)等。通過計算，還可以給出每根樁、每個局部，在加荷的每個階段的受力變形狀況。因此有必要通過三維非線性有限元計算分析，可以更好地回答大橋樁基礎(chǔ)設(shè)計中的變形等穩(wěn)定性分析問題，進(jìn)一步論證設(shè)計的合理性，更恰當(dāng)?shù)卦u價樁基礎(chǔ)的安全性，或者提出實(shí)施中需要注意的薄弱環(huán)節(jié)。目前有限元數(shù)值模擬方法的難點(diǎn)主要在于樁、土體本構(gòu)模型的合理選擇和本構(gòu)模型的參數(shù)選取方面，文章對幾個關(guān)鍵性問題進(jìn)行相關(guān)探討。

4 土體本構(gòu)模型及接觸面單元的選取

4.1 土體本構(gòu)模型的選擇

土體應(yīng)力變形的非線性特性對能否準(zhǔn)確模擬土體及結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力變形特性有重要影響，從而影響到土與結(jié)構(gòu)共同作用的性質(zhì)，應(yīng)當(dāng)選擇恰當(dāng)?shù)耐馏w本構(gòu)模型對這種非線性特征進(jìn)行描述。針對目前的設(shè)計方案，采用非線性三維有限元方法考慮橋墩群樁、承臺、地基土的共同作用，模擬實(shí)際的荷載條件、邊界條件、土體的非線性特性，計算其受力變形。演算過程表明，土的本構(gòu)模型采用鄧肯－張雙曲線非線性彈性模型吻合度較好。

在模型建立方面，應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)剛度對基礎(chǔ)變形和受力的影響，將樁基礎(chǔ)施工分為多個不同階段進(jìn)行模擬，在模擬過程中應(yīng)當(dāng)考慮樁土接觸問題、施工的時間效應(yīng)、結(jié)構(gòu)的剛度和注漿加固等多種情形下基礎(chǔ)沉降和應(yīng)力分布的規(guī)律?？傮w來講，模型的建立以省時、可行和可靠為目的。

4.2 接觸面單元的選擇

由于樁體材料為混凝土，混凝土模量遠(yuǎn)高于樁側(cè)土體的模量，在水平或豎直荷載作用下，樁土之間必然存在位移，同時考慮到由于水下作業(yè)鉆孔灌注樁采用護(hù)壁泥漿必然對樁周土體產(chǎn)生擾動，樁周存在與樁間土性質(zhì)不同的區(qū)域，在此條件下，因此設(shè)置接觸面單元更符合實(shí)際邊界條件。

接觸面單元主要有兩種型式：①Goodman單元[5]，無厚度，形式簡單，應(yīng)用便捷，能夠考慮到接觸面變形的非線性特質(zhì)，缺陷是實(shí)際工程中兩側(cè)單元可能相互嵌入，法向位移可能產(chǎn)生偏差，通用解決方案是受壓時彈性系數(shù)取大值，受拉時取小值，但是物理意義不明確，實(shí)際使用時尚應(yīng)結(jié)合水文條件、施工工況等條件時應(yīng)加以修正。②有厚度的薄單元，如Desai單元[6]等。Desai單元概念與實(shí)際工況比較吻合，能夠較好的模擬結(jié)構(gòu)面的錯動、剪切等接觸狀態(tài)，更符合實(shí)際。但是依據(jù)Desai的建議薄單元的厚度，可取單元長度的0.01～0.1取值，范圍過大。實(shí)際應(yīng)用中，取值過大，與實(shí)際單元接近，失去模擬意義；取值過小，計算精度下降。為了了解接觸面單元厚度對計算的影響，應(yīng)該對幾種不同厚度的接觸面單元作對比計算，并對模型進(jìn)行相應(yīng)修正。

4.3 計算參數(shù)的取值

數(shù)值模擬計算參數(shù)的合理確定關(guān)系到計算成果的合理與否。模型主要涉及的樁土材料力學(xué)參數(shù)有：樁體的彈性模量、泊松比、土體的彈性模量、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角等。其中樁體的參數(shù)較為明確，可以有規(guī)范或試驗(yàn)值參考。但是土體彈性模量等取值難以確定，對計算結(jié)果影響甚大。設(shè)計人員常常依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，以勘察報告提供的壓縮模量進(jìn)行換算取值，人為因素大，缺乏理論依據(jù)，導(dǎo)致不同取值下的沉降計算結(jié)果相差過大。大比例模型試驗(yàn)精度高，試驗(yàn)后可得到本構(gòu)模型和相應(yīng)參數(shù)，但是對于一般情況，鑒于現(xiàn)場模擬難度大、費(fèi)用高，故目前設(shè)計人員仍然多采用室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如三軸儀固結(jié)排水試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)等的結(jié)果近似確定，這就對勘察報告的質(zhì)量提出了很高的要求。由于室內(nèi)試驗(yàn)與巖土的原始實(shí)際受力條件通常不符，依據(jù)巖土工程勘察報告提供的三軸固結(jié)排水曲線、固結(jié)排水剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)和直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理取值，模擬結(jié)果沉降將相當(dāng)大。這是由于室內(nèi)試驗(yàn)由于土的擾動，無法保存原來的結(jié)構(gòu)性，實(shí)際土體在百米深處存在相當(dāng)大的自重應(yīng)力，取出后應(yīng)力釋放。但如果試驗(yàn)時并未先加荷到原來的壓力后再開始逐級加荷，就會造成了壓縮模量偏小。為此，室內(nèi)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能還原土的原始狀態(tài)，試驗(yàn)前可先進(jìn)行自重應(yīng)力下的預(yù)固結(jié)等前期試驗(yàn)，可以需要利用固結(jié)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)資料確定對應(yīng)土層的參數(shù)。沉降計算時仍應(yīng)結(jié)合已有計算經(jīng)驗(yàn)并參照其它類似工程，實(shí)際使用加以數(shù)據(jù)修正。

有厚度接觸面單元也需要強(qiáng)度指標(biāo)，實(shí)際上彈性模量和泊松比也是非線形的?？紤]到樁基施工時對樁周土的擾動，以及泥皮效應(yīng)會使樁基及土的強(qiáng)度和模量不同程度的降低。對于接觸面強(qiáng)度降低的問題。水利大壩工程作過不少接觸面變形試驗(yàn)，主要用大比例模型結(jié)合大型直剪儀進(jìn)行，模擬精度較高。故在大型橋梁基礎(chǔ)設(shè)計與三維模擬時，可參照類似水利工程中的參數(shù)進(jìn)行取值，實(shí)踐證明效果較好。

5 施工過程的仿真

某垮江大型橋梁基礎(chǔ)的承臺設(shè)計厚度大，一般為12m，遠(yuǎn)超一般中小規(guī)模項(xiàng)目承臺，在計算模擬時應(yīng)當(dāng)將其分級，模擬時應(yīng)隨著荷載增加逐步增加單元。同時應(yīng)模擬混凝土澆筑、硬化過程，澆筑初期，剛度強(qiáng)度均低，作為柔性材料，無法調(diào)整各樁之間的荷載分配，只能將荷載傳到緊挨其下的樁體上。如果樁的布置是均勻的，荷載也是均勻的，那么各樁承擔(dān)的荷載就大體一致。當(dāng)承臺混凝土強(qiáng)度和模量都達(dá)到設(shè)計值后，承臺將均勻下沉，承臺所受的樁反力就變得不均勻了，也就是承臺將調(diào)整樁軸力的分布。因此，承臺是柔性還是剛性對樁群軸力的分布有顯著影響。設(shè)計計算中應(yīng)當(dāng)模擬這種混凝土由軟到硬的過程。

水流沖刷對樁基的影響，跨江大橋水文地質(zhì)條件復(fù)雜，隨著樁基施工的進(jìn)行導(dǎo)致樁周土體被水流反復(fù)沖刷，影響樁基礎(chǔ)的承載性能，鑒于深水環(huán)境下大型橋樁基礎(chǔ)從建設(shè)到施工、使用期河床沖刷等經(jīng)驗(yàn)較少，對此積累的沖刷條件下樁基礎(chǔ)的承載性能研究亦少見。目前仍然多采用經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式，但已有的研究成果和資料表明其基本的規(guī)律是隨著沖刷深度的增加，基礎(chǔ)存在回彈效應(yīng)[7]，對應(yīng)的存在臨界深度，對此，有待進(jìn)一步深入研究。

[1]Butterfield R，Bane rjee P K.The Problem of Pile-Group-Pile Cap Interaction.Geotechnique，1971，21(2)：135-142.

[2]Chow Y K.Analysis of Vertically Loaded Pile Groups.International Journal for Numerical and Analytical Meth-ods in Geomechanics，1986,10：59-72.

[3]Kraft L M，Ray R P，Kagawa T.Theoretical t-z Curves.Journal of the GeotechnicalEngineering Division，ASCE，1978，104 (GT12)：1465-1488.

[4]程曄.超長大直徑鉆孔灌注樁承載性能研究[D].南京：東南大學(xué)，2005.

[5]錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算[M].北京：水利電力出版社，1996.

[6]殷宗澤.土工數(shù)值計算[M].北京：水利電力出版社，1994.窗體底端

[7]袁燈平.大直徑超長橋梁樁基與群樁基礎(chǔ)豎向承載特性及沉降控制研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

U445.55

B

1007-7359（2016）06-0124-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.047

仲云飛（1977-），男，江蘇海安人，畢業(yè)于河海大學(xué)，碩士，高級工程師。