沿海陸域地區(qū)斜直群樁承載性能數(shù)值模擬分析

黃偉洪， 周子煜， 張春霆， 邱紅勝

(1.珠海航空城工程建設(shè)有限公司，廣東 珠海 519000；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

隨著我國沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，大量的橋梁、拱形結(jié)構(gòu)、港口碼頭、輸電塔、高層建筑等工程在沿海陸域地區(qū)不斷建設(shè)。這些工程建筑物往往會(huì)產(chǎn)生較大的傾斜荷載，由于傾斜樁具有水平承載性能較高、群樁效應(yīng)小以及沉降小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于上述結(jié)構(gòu)物的群樁基礎(chǔ)中。傾斜樁的承載過程就是側(cè)阻力，端阻力以及樁身斜下方土體的支承力相繼得到發(fā)揮的過程[1]，當(dāng)群樁中有斜樁參與承受橫向荷載時(shí)，樁頂位移，樁身內(nèi)力和裂縫寬度都有不同程度的減小，因此直斜樁群更適合拱橋基礎(chǔ)[2]。

近年來不少學(xué)者對(duì)斜樁承載力進(jìn)行了研究。目前針對(duì)斜樁的研究主要還是沿用直樁分析研究方法，主要以室內(nèi)試驗(yàn)[3-6]和數(shù)值計(jì)算[4，7]為主，近年來也有學(xué)者采用p-y曲線法對(duì)斜樁進(jìn)行分析，例如曹衛(wèi)平等[8,9]基于模型試驗(yàn)獲得干砂中斜樁土體反力p和位移y關(guān)系，根據(jù)樁側(cè)極限土反力、初始地基反力模量與樁身傾角關(guān)系構(gòu)建出斜樁砂土p-y曲線，根據(jù)與實(shí)測結(jié)果對(duì)比，p-y曲線應(yīng)用于斜樁十分合理。顧明等[10]人對(duì)水平偏心荷載下的斜樁群樁的承載特性和內(nèi)力變化規(guī)律進(jìn)行了研究。通過一系列離心機(jī)模型試驗(yàn)，對(duì)比水平偏心荷載下豎直樁群樁和斜樁群樁的不同工作特性發(fā)現(xiàn)：在同等條件下，豎直樁群樁水平承載性能低于斜樁群樁，斜樁群樁抵抗水平偏心荷載的效果更佳。目前針對(duì)斜直群樁的承載性能研究較少，因此需要對(duì)該類型群樁基礎(chǔ)進(jìn)行分析研究。

1 工程背景及有限元模型建立

金島大橋是一座非對(duì)稱異形鋼拱橋,如圖1所示。該橋位于珠海航空產(chǎn)業(yè)園濱海商務(wù)區(qū)內(nèi)的金島路上，跨越主排洪渠，橋梁起點(diǎn)為KC0+132.00，橋梁終點(diǎn)為KC0+232.00，橋孔布置為1×100 m。擬建場地地貌屬山前海積平原，經(jīng)人工吹填形成陸域，勘察期間大部分場地填土整平，最高地面高程4.47 m，最低地面高程0.56 m，平均地面高程3.28 m，地形總體平坦、開闊。

圖1 金島大橋

1.1 現(xiàn)場地質(zhì)概況

在項(xiàng)目施工前，對(duì)金島大橋現(xiàn)場地質(zhì)進(jìn)行鉆探，地層分布情況如下：

(1)吹填土：主要構(gòu)成為粉細(xì)砂及少量貝殼碎屑，經(jīng)吹填形成，顆粒成分均勻，飽和，松散。平均厚度為4.58 m，承載力特征值80 kPa，樁側(cè)摩阻力特征值15.8 kPa。

(2)淤泥：主要構(gòu)成為黏土細(xì)粒和微量腐質(zhì)殼類碎粒。干強(qiáng)度中等，韌性低。平均厚度為19.74 m，承載力特征值45 kPa，樁側(cè)摩阻力特征值23.6 kPa。

(3)淤泥質(zhì)土;主要構(gòu)成為黏土細(xì)粒、粉質(zhì)細(xì)粒砂以及微量腐質(zhì)殼類碎粒。平均厚度為24.56 m，承載力特征值60 kPa，樁側(cè)摩阻力特征值28.5 kPa。

(4)砂質(zhì)黏土：主要構(gòu)成為砂質(zhì)黏土和礫質(zhì)黏土。平均厚度25.21 m，承載力特征值220 kPa，樁側(cè)摩阻力特征值45.4 kPa，可以作為樁端持力層。

1.2 結(jié)構(gòu)物概況

1～3號(hào)拱座承臺(tái)尺寸為12.4×16.1 m×4.0 m，采用9根直徑2.2 m鉆孔灌注樁+3根直徑1.5m斜樁；4號(hào)拱座承臺(tái)尺寸為16.8×35.9 m×5.0 m，采用24根直徑2.2 m鉆孔灌注樁+14根直徑1.5m斜樁。本文選取2號(hào)拱座承臺(tái)下的樁基為建模對(duì)象。拱座構(gòu)造圖如圖2和圖3所示。

圖2 拱座立面圖

圖3 拱座俯視圖

1.3 有限元模型的建立

土體材料參數(shù)根據(jù)珠海金島大橋地勘報(bào)告中的土層情況進(jìn)行選取，珠海港區(qū)陸域土體材料參數(shù)見表1。

表1 土體材料參數(shù)表

建立橋梁整體模型，如圖4所示。在設(shè)計(jì)荷載作用下，上部結(jié)構(gòu)施加給拱橋承臺(tái)的傾斜荷載為16 570 kN，根據(jù)斜向荷載設(shè)計(jì)值，荷載等級(jí)選取20 000 kN，分10級(jí)加載，每級(jí)加載2 000 kN，保證樁基變形處于彈性狀態(tài)。荷載施加方向與二號(hào)拱座所受傾斜荷載方向相同，與水平方向夾角為42°。7°斜直群樁的網(wǎng)格劃分和荷載條件圖如圖5所示。

圖4 金島大橋整體軸力圖

圖5 7°斜直群樁的網(wǎng)格劃分和荷載條件圖

1.4 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，現(xiàn)對(duì)單樁豎向承載性能P-S曲線與現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行對(duì)比，本文選取2-3、2-7兩根樁進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)前，各樁已完成聲波透射法監(jiān)測，樁身監(jiān)測結(jié)果均為Ⅰ、Ⅱ類樁。靜荷載試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，荷載分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)取預(yù)估的單樁極限承載力的1/10，首次加載取2倍的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)加載到設(shè)計(jì)荷載時(shí)，進(jìn)行卸載測試，卸載量等于首次加載值。將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果制成圖6。

圖6 試驗(yàn)樁單樁承載力P-S曲線

由圖6可知，單樁P-S曲線的模擬值和實(shí)測值在曲線形態(tài)和數(shù)值上都十分接近，當(dāng)單樁承受荷載大于10 000 kN時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果顯示樁位移產(chǎn)生陡降，說明單樁承載力極限值約為10 000 kN。數(shù)值分析與實(shí)測值存在一定誤差是由于數(shù)值模擬的土層性質(zhì)與實(shí)際土層有一定差異，且沒有考慮地下水位影響，但數(shù)值結(jié)果與實(shí)際相近，樁土接觸模型較為合理，可用于后續(xù)數(shù)值分析。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 不同樁身傾角的斜直群樁數(shù)值模擬分析

為了研究斜樁傾角對(duì)斜直群樁的影響，本文保持其他參數(shù)不變，選取0°、5°、7°、10°、15°五個(gè)角度，分析角度的變化對(duì)群樁豎向沉降、水平承載力和角、邊、中樁應(yīng)力比的影響。

2.1.1 樁身傾角變化對(duì)斜直群樁沉降的影響

通過GTS NX有限元計(jì)算后，得到沿海陸域地區(qū)不同樁身傾角的斜直群樁沉降值。將不同樁身傾角的斜直群樁Q-s曲線繪制成圖7，其中Q表示42°傾斜荷載，s表示沉降值。

圖7 不同樁身傾角的斜直群樁Q-s曲線圖

由圖7可以看到，在20 000 kN荷載作用下，樁身傾角為0°、5°、7°、10°、15°的斜直群樁沉降值分別12.86 mm、9.42 mm、9.46 mm、9.58 mm、11.01 mm。7°斜直群樁的沉降量相比豎直群樁減少了26%，相比15°斜直群樁減少了14%。其中樁身傾角為5°、7°、10°斜直群樁沉降量相差不大，豎向承載力基本相同。不同樁身傾角的斜直群樁沉降值都隨著荷載增加而增大，樁身傾角為5°、7°、10°的斜直群樁的Q-s曲線變化趨勢(shì)基本一致，相對(duì)于豎直群樁和15°斜直群樁的Q-s曲線變化較為緩慢。

將斜直群樁最大沉降隨樁身傾角變化繪制成圖8。

圖8 斜直群樁最大沉降隨樁身傾角變化曲線圖

由圖8可以看到，基礎(chǔ)最大沉降值隨著樁身傾角的增加呈盆型變化，樁身傾角為5°、7°、10°的斜直群樁的基礎(chǔ)最大沉降值相差較小，當(dāng)樁身傾角大于10°時(shí)，基礎(chǔ)最大沉降值開始增加。由此說明：當(dāng)樁身傾角在5～10°時(shí)，斜直群樁的豎向承載力大于豎直群樁；當(dāng)樁身傾角大于10°時(shí)，斜直群樁的豎向承載力逐漸降低。

2.1.2 樁身傾角變化對(duì)斜直群樁水平承載力的影響

通過GTS NX有限元模擬分析，得到沿海陸域地區(qū)不同樁身傾角的斜直群樁水平位移值。不同樁身傾角的斜直群樁Q-V曲線圖如圖9所示。

圖9 不同樁身傾角的斜直群樁Q-V曲線圖

在20 000 kN荷載作用下，樁身傾角為0°、5°、7°、10°、15°的斜直群樁水平位移值分別4.06 mm、2.75 mm、2.76 mm、2.78 mm、3.65 mm。7°斜直群樁的水平位移量相比豎直群樁減少了32%，相比15°斜直群樁減少了24%。其中樁身傾角為5°、7°、10°的斜直群樁水平位移量基本一致，水平承載性能基本相同。由圖9可以看到，不同樁身傾角的斜直群樁水平位移值都隨著荷載的增加而增大，樁身傾角為5°、7°、10°的斜直群樁的Q-V曲線變化趨勢(shì)基本一致，相對(duì)于豎直群樁和15°斜直群樁的Q-V曲線變化較為緩慢。

將斜直群樁最大水平位移隨樁身傾角變化曲線繪制成圖10。

圖10 斜直群樁最大水平位移隨樁身傾角變化曲線圖

由圖10可以看到，斜直群樁最大水平位移值隨著樁身傾角的變化曲線與最大沉降值的變化曲線一致，都呈盆型變化，當(dāng)樁身傾角在5～10°時(shí)，斜直群樁的水平承載力得到了最大化的發(fā)揮。

2.1.3 樁身傾角變化對(duì)斜直群樁水平承載力的影響

相同荷載作用下，不同樁身傾角下，樁身的應(yīng)力云圖如圖11所示，邊樁與中樁、角樁與中樁的樁頂應(yīng)力比變化曲線如圖12所示。

圖11 0°、5°、7°、10°、15°斜直群樁應(yīng)力云圖

圖12 不同樁身傾角樁頂應(yīng)力比變化曲線圖

由圖11可知，隨著樁深度的增加，樁豎向應(yīng)力降低，符合樁應(yīng)力傳遞規(guī)律。由圖12可知,角樁和邊樁應(yīng)力均大于中樁，其中角樁產(chǎn)生的應(yīng)力更大，將斜樁角度提高到5°，角樁中樁應(yīng)力比從1.14減到了1.06，邊樁中樁應(yīng)力比從1.1減到了1.02，樁頂應(yīng)力比下降明顯，再增大斜樁角度，應(yīng)力比將增大。說明樁身傾角在5°時(shí)更有利于上部荷載對(duì)各基樁的平均分配。

2.2 不同樁長的斜直群樁數(shù)值模擬分析

為了研究不同樁長對(duì)沿海陸域地區(qū)斜直群樁的影響，在7°斜直群樁模型的基礎(chǔ)上，保持其他參數(shù)不變，建立樁長為40 m、50 m、55 m的斜直群樁模型。研究樁長變化對(duì)斜直群樁沉降、水平承載力和角、邊、中樁應(yīng)力比的影響。

2.2.1 樁長變化對(duì)斜直群樁沉降的影響

通過GTS NX有限元模擬分析，得到沿海陸域地區(qū)不同樁長的斜直群樁沉降值。圖13為不同樁長的斜直群樁Q-s曲線圖，圖14為斜直群樁最大沉降隨樁長變化曲線圖。

圖13 不同樁長的斜直群樁Q-s曲線圖

圖14 斜直群樁最大沉降隨樁長變化曲線圖

由圖13可知，在20 000 kN荷載作用下，樁長40 m、45 m、50 m、55 m的沉降值分別11.06 mm、9.46 mm、8.66 mm、8.37 mm。斜直群樁的基礎(chǔ)沉降值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于40 mm，滿足豎向承載力設(shè)計(jì)要求。當(dāng)樁長從40m增加到50 m時(shí)，斜直群樁沉降減少了22%；當(dāng)樁長從50 m增加到55 m時(shí)，斜直群樁沉降減少了3%。不同樁長的斜直群樁沉降都隨荷載的增加而增大，樁長40 m的斜直群樁Q-s曲線變化趨勢(shì)相對(duì)較陡，樁長50 m和樁長55 m的斜直群樁Q-s曲線變化趨勢(shì)基本一致，較為平緩。

由圖14可知，斜直群樁最大沉降隨著樁長的增加逐漸減小。當(dāng)樁長從40 m增加到50 m時(shí)，最大沉降值減小的幅度較大。當(dāng)樁長從50 m增加到55 m時(shí)，最大沉降值減小的幅度較小。綜上可知，增加樁長可提高斜直群樁基礎(chǔ)的豎向承載力，當(dāng)樁長增加至55 m后，樁長對(duì)斜直群樁豎向承載力的提高效果不再顯著。

2.2.2 樁長變化對(duì)斜直群樁水平承載力的影響

通過GTS NX有限元模擬分析，得到沿海陸域地區(qū)不同樁長的斜直群樁水平位移值。圖15為不同樁長的斜直群樁Q-V曲線圖，圖16為斜直群樁最大水平位移隨樁長變化曲線圖。

圖15 不同樁長的斜直群樁Q-V曲線圖

圖16 斜直群樁最大水平位移隨樁長變化曲線圖

由圖15可知，在20 000 kN荷載作用下，樁長為40 m、45 m、50 m、55 m的斜直群樁基礎(chǔ)水平位移分別是4.13 mm、2.76 mm、2.39 mm、2.21 mm。樁頂水平位移值都小于10 mm，滿足水平承載力設(shè)計(jì)要求。當(dāng)樁長從40 m增加到50 m時(shí)，斜直群樁水平位移減少了42%，當(dāng)樁長從50 m增加到55 m時(shí)，斜直群樁水平位移減少了8%。不同傾角的斜直群樁基礎(chǔ)樁頂水平位移值都隨著荷載的增加而增大，樁長為45 m、50 m、55 m的斜直群樁Q-V曲線變化趨勢(shì)基本一致，相對(duì)于樁長為40 m斜直群樁的Q-V曲線曲線變化較為平緩。

由圖16可以看到，斜直群樁最大水平位移值隨著樁長的變化趨勢(shì)與斜直群樁最大沉降值變化趨勢(shì)基本一致。當(dāng)樁長從40 m增加到45 m時(shí)，水平位移值減小的幅度較大。當(dāng)樁長從45 m增加到55 m時(shí)，水平位移值減小的幅度較小。綜上可知，增加樁長可提高斜直群樁基礎(chǔ)的水平承載力，當(dāng)樁長增加至55 m后，樁長對(duì)水平承載力的提高效果不再顯著。

2.2.3 樁長變化對(duì)角、邊、中樁應(yīng)力比的影響

相同荷載作用下，不同樁長下，樁身的應(yīng)力云圖如圖17所示，邊樁與中樁、角樁與中樁的樁頂應(yīng)力比曲線如圖18所示。

圖17 不同樁長斜直群樁應(yīng)力云圖

圖18 不同樁長的樁頂應(yīng)力比曲線圖

由圖18可知，隨著樁長的增加，邊樁角樁與中樁的應(yīng)力比逐漸減小，尤其在樁長為40～45 m時(shí)下降明顯，說明適當(dāng)增加樁長可以有效平均分配上部荷載，對(duì)充分發(fā)揮各樁承載力有積極作用。

3 結(jié) 論

本文參考珠海金島大橋的具體工程實(shí)際，對(duì)沿海陸域地區(qū)斜直群樁基礎(chǔ)的工作特性進(jìn)行了研究和分析。利用GTS NX有限元軟件對(duì)沿海陸域地區(qū)土體中不同樁身傾角和不同樁長的斜直群樁基礎(chǔ)進(jìn)行有限元建模，研究了樁身傾角和樁長的改變對(duì)斜直群樁的豎向承載力、水平承載力的影響。主要結(jié)論如下：

(1) 在設(shè)計(jì)荷載20 000 kN作用下，斜直群樁基礎(chǔ)沉降隨斜樁傾角呈盆型變化，將斜樁傾角設(shè)置為5～10°時(shí)可以有效提高斜樁在豎直方向上的承載力，這是由于端阻力以及樁身斜下方土體的支承力相繼得到發(fā)揮。當(dāng)樁身傾角過大時(shí)，斜樁端阻力降低，豎向承載力削減明顯，豎向位移較低傾角時(shí)增大。同時(shí)，斜樁傾斜角在5～10°時(shí)，水平位移降低也十分明顯。此外，5°左右的斜樁角度下，各樁應(yīng)力比也趨近于1，應(yīng)力分配更均勻。

(2)在20 000 kN荷載作用下，樁長的提高有利于減小樁基各方向承載力，當(dāng)樁長從40 m增加到45 m時(shí)，沉降遞減速率較快。當(dāng)樁長從45 m增加到55 m時(shí)，沉降遞減速率較為緩慢。斜直群樁水平位移值和沉降值變化趨勢(shì)基本一致。適當(dāng)增加斜直群樁的樁長可有效提高群樁基礎(chǔ)豎向承載力，有效降低應(yīng)力比，同時(shí)水平承載性能也有一定提高。但過長的樁基對(duì)承載性能提升并不明顯，且增加了工程造價(jià)。