樁基-下隔板結(jié)構(gòu)處理橋頭跳車問題的數(shù)值模擬研究①

連真毅

(溫州市公路管理局，浙江 溫州 325035)

0 引 言

橋頭跳車在我國東南沿海軟土地區(qū)公路工程建設(shè)中經(jīng)常出現(xiàn)，尤其是受到地理位置和自然環(huán)境的影響，路堤沉降問題顯得更加突出。依托工程的地質(zhì)環(huán)境為濱海深厚軟土地層，綜合國內(nèi)的研究現(xiàn)狀，路堤沉降研究主要通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測進行的。唐泉[4]經(jīng)過室內(nèi)實驗、理論研究結(jié)合FLAC3D軟件，算出了不同施工工況下的應(yīng)力場和位移場，并分析了煤矸石路堤的豎向位移與應(yīng)力狀況。在現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，金圣杰[5]采用PLAXIS數(shù)值分析軟件研究了高速公路軟土地基的長期變形規(guī)律。徐江平[6]采用MIDAS GTS-NX有限元軟件剖析了綜合管溝和土工格柵對路堤沉降的影響。郝德強[7]用ANSYS有限元分析軟件模擬了高填方路堤，得出當(dāng)路堤填料被碾壓夯實后，高填方路堤沉降量較小。李又云等[8]用ABAQUS軟件模擬了土質(zhì)為黃土路堤的沉降變形規(guī)律。在前人研究基礎(chǔ)上，針對軟土地層的橋頭跳車問題，通過Midas GTS-NX模擬，探討了不同樁長、樁間距和樁徑等參數(shù)對基礎(chǔ)沉降的影響情況，為后期將進行的現(xiàn)場監(jiān)測提供依據(jù)。

1 工程概況

公路橋頭軟基綜合處理是工程中的一個重要組成部分，圖1為橋頭路基處理過度平面圖，圖2為路堤正視圖，水泥攪拌樁呈現(xiàn)梅花型布置，樁距范圍取1.5m4m，樁長8m35m，樁徑0.5m，鋼筋混凝土板厚度為0.4m，長切縫為10m。該模型共考慮了4種工況: 工況(1)：8m長水泥攪拌樁，間距1.5m，樁徑0.5m；工況(2)：12m長水泥攪拌樁，間距2m，樁徑0.5m；工況(3)：20m長的管樁，間距3m，樁徑40cm；工況(4)：35m長管樁，間距4m，樁直徑0.4m。

圖1 橋頭路基處理過渡段平面圖

2 路堤沉降數(shù)值模擬

2.1 模型簡介

為分析不同樁長、樁間距和樁徑等參數(shù)對基礎(chǔ)沉降的影響，采用Midas GTS-NX建立路堤施工的三維有限元模型，如圖3所示。以K14+187.8段為例，路基共有3層密實填土，每層填土高1.4m，下隔板材料為C25，厚0.6m，水泥攪拌樁5排，每排5根，呈現(xiàn)梅花型布置，所取的研究部分，充分考慮了樁的對稱性，具有一般性。地基土的第一層為黏土，深20m；第二層為淤泥，深5m；第三層為粉質(zhì)黏土，深15m。土層參數(shù)取值如表1所示，考慮的約束條件有：樁約束，邊界約束，排水，填土非固結(jié)；并施加了靜力荷載自重。

表1 模擬區(qū)間段主要土層物理力學(xué)指標

圖2 路堤正視圖

圖3 有限元模型

2.2 土的本構(gòu)模型

以K14+187.8段的土層為例，土層中的填土、淤泥、黏土和粉質(zhì)黏土采用的是莫爾-庫倫的本構(gòu)模型。理想彈塑性是莫爾-庫倫本構(gòu)的重要特征。圖4中所示的理想彈塑性曲線適用于大多數(shù)的巖土非線性分析，能夠很好的模擬巖土材料。

圖4 理想彈塑性曲線

圖5 豎向位移云圖

3 計算結(jié)果分析

對這4種工況的計算結(jié)果進行了對比分析。

圖6 路堤不同位置沉降-時間關(guān)系

3.1 工況(1)

如圖5、圖6所示，圖5為工況(1)的豎向位移云圖，圖6展示了路堤不同位置豎向位移-時間關(guān)系圖，可知，在路堤邊緣-5m處，基礎(chǔ)沉降最小為0.055m；路堤中間0m，路堤邊緣0m，-5m基礎(chǔ)沉降比較接近，為0.067m。

圖7 豎向位移云圖

圖8 路堤不同位置豎向位移-時間關(guān)系

3.2 工況(2)

如圖7、圖8所示，圖7為工況(2)的豎向位移云圖，圖8說明在路堤邊緣-5m處，基礎(chǔ)最小沉降為0.039m；在路堤中間0m處豎向位移最大，為0.049m。

3.3 工況(3)

如圖9、圖10所示，圖9為工況(3)的豎向位移云圖，圖10展示了路堤不同位置豎向位移-時間關(guān)系圖，可知在路堤中間0m處，豎向位移最大，為0.027m；在路堤邊緣-5m處，豎向位移最小為0.015m。

圖9 豎向位移云圖

圖10 路堤不同位置豎向位移-時間關(guān)系圖

圖11 豎向位移云圖

圖12 路堤不同位置豎向位移-時間關(guān)系圖

3.4 工況(4)

如圖11、圖12所示，圖11為工況(4)的豎向位移云圖，由圖12可知，在路堤中間0m處，發(fā)生的豎向位移最大，為0.023m；在路堤邊緣-5m處，發(fā)生的豎向位移最小為0.012m。

4 結(jié) 論

對不同施工工況下的樁基-下隔板結(jié)構(gòu)路堤進行了有限元數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：

(1)在現(xiàn)場監(jiān)測之前，先針對不同樁長、樁間距和樁徑等參數(shù)對基礎(chǔ)沉降的影響進行數(shù)值模擬，這和傳統(tǒng)的數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測分析相結(jié)合的研究方法略有不同，意在利用已有的數(shù)值模擬結(jié)果指導(dǎo)后期需要進行的現(xiàn)場監(jiān)測試驗，模擬結(jié)果也確實為現(xiàn)場試驗方案的制作提供了實實在在的借鑒作用，有效的確保了后續(xù)工作的高效運行。

(2)通過對4種施工工況的橫向與縱向?qū)Ρ日f明，在軟土地層中，樁長對基礎(chǔ)沉降的影響較大，所以為了經(jīng)濟和安全考慮，選擇的長一點、間距大一點的樁，將能夠符合安全和經(jīng)濟這兩個標準。

(3)除以上兩點外，模型與以往的模型有所不同，具有一般性，建模的方法也對解決類似的工程案例具有指導(dǎo)作用。