軟土區(qū)高架橋下道路施工期對樁基影響分析

鄒永誠，羅斌，張亞磊，向敏

（1.臺州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院有限公司，浙江 臺州 318002；2.石家莊鐵道大學，河北 石家莊 050043）

0 引 言

近年來，我國高速公路的建設規(guī)模不斷擴大，高架橋作為高速公路的重要組成部分，可有效降低不良地質(zhì)的影響。東南沿海地區(qū)軟土范圍較大，主要為海相沉積軟土，厚度最大可達數(shù)十米。軟土的工程性質(zhì)較差，具有含水量高、承載力低、壓縮量大等特點，超長樁基礎成為該地區(qū)橋梁基礎的主要形式。

除了在高架橋施工過程中，樁基的受力特性會發(fā)生顯著的變化，橋下軟土路基施工過程中的地面荷載會使樁側(cè)土體發(fā)生固結沉降，樁身上部將產(chǎn)生樁側(cè)負摩阻力。負摩阻力會對樁身產(chǎn)生的下拉力，可使樁身軸力、樁基沉降增大，嚴重時甚至可導致樁身破壞以及橋梁上部結構的不均勻沉降。

本文針對深淤軟土區(qū)高架橋超長樁基的受力特性問題，以浙江沿海高速公路甬莞高速翁垟高架橋及其橋下道路為背景，選取9#墩群樁基礎為研究對象，在試驗樁的樁身中嵌入傳感器，監(jiān)測高架橋和橋下道路施工期間樁基的受力變化；建立9#墩群樁基礎Midas GTS/NX有限元模型，將數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場試驗監(jiān)測值進行對比。

1 工程概況

1.1 高架橋及橋下道路

浙江甬莞高速的某高架橋雙向六車道；橋下道路為雙向四車道的城市次干路與高架橋并線布置，如圖1所示。

圖1 高架橋及橋下道路橫斷面

高架橋9#墩試驗樁里程為K266+655.83，上部結構連續(xù)梁采用預應力混凝土組合箱梁，其下部結構采用的是花瓶型雙柱式墩接預應力混凝土大蓋梁的形式，下部基礎采用6根直徑1.6 m的樁基礎，采用2排3列布置，樁長為73 m，本次研究對高架橋9#墩處樁基礎進行施工期的受力檢測及數(shù)據(jù)分析。

1.2 巖土工程地質(zhì)特征

根據(jù)地質(zhì)勘探報告，樁基土體的上部淤泥軟土層厚度可達60 m左右，下部為強風化和中風化晶屑凝灰?guī)r。樁基巖土的特征按深度列于表1。

表1 墩樁基巖土特征

2 施工期樁基受力監(jiān)測與試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗樁的選取

群樁基礎的基樁為6根，鉆孔灌注樁設計樁長73 m，樁徑1.6 m，嵌巖深度5.7 m。矩形承臺底位于地面以下1.6 m，橫橋向?qū)挾葹?0.9 m，縱橋向?qū)挾葹?.8 m，厚度2.5 m。試驗樁a位置如圖2所示。

圖2 試驗樁位置（cm）

2.2 嵌設鋼筋應力傳感器

在鉆孔灌注樁施工過程中，在基樁a鋼筋籠主筋上每隔2 m對稱嵌設4個鋼筋應力傳感器，并將傳感器導線引出地面，如圖3所示。

圖3 主筋靠焊應力傳感器

2.3 軸力計算

鋼筋應力傳感器的頻率與應變之間的關系可表示為：

式中，為傳感器頻率讀數(shù)；為系數(shù)，其值為0.000 711 86。

根據(jù)同一截面中樁身主筋應變與混凝土應變相同的假定，通過從鋼筋應力傳感器讀取的應力或頻率，計算得到樁身主筋的應變，即得到該樁身混凝土截面的應變，從而可計算樁身截面的軸力。樁身截面的軸力為該截面主筋軸力與混凝土軸力之和：

由應力、應變關系可得：

式中，P為截面樁身軸力；P為截面鋼筋軸力；A為截面鋼筋截面積；A為樁身截面積；E為混凝土彈性模量，取30 GPa；E為鋼筋彈性模量，取200 GPa。

2.4 試驗數(shù)據(jù)分析

2.4.1 樁身軸力

整理試驗數(shù)據(jù)，在高架橋及橋下道路的各施工階段，群樁中試驗樁a樁身軸力沿樁長的分布如圖4所示（圖中：A～D表示高架橋施工階段，分別為承臺施工、墩身施工、蓋梁施工、架梁施工，E～G表示橋下道路施工階段，分別為墊層施工、填土施工、路基施工）。

圖4 不同施工階段各試驗樁的樁身軸力分布

由圖4可知，高架橋施工階段，試驗樁樁身軸力在持力層上部沿樁長方向逐漸增大，在持力層中沿樁長方向逐漸減小，這是由于持力層上部的樁側(cè)正摩阻力小于樁身重力增量，而在持力層樁側(cè)正摩阻力較大。在高架橋施工階段，由于樁頂荷載的增加，同一截面樁身軸力均逐漸增大，承臺、墩身、蓋梁、箱梁各階段施工完畢后，樁身最大軸力分別為2 988 kN、3 345 kN、3 835 kN、4 884 kN。由于箱梁自重較大，架梁施工完畢時樁身軸力增幅最大。

橋下道路施工階段，在承臺荷載無變化情況下，樁身軸力沿樁長方向先增大后減小，證明樁身上部出現(xiàn)了樁側(cè)負摩阻力。隨著橋下道路施工的進行，同一截面的樁身軸力逐漸增大，其中樁身上部及底部軸力增幅較小，樁身中部軸力增幅較大。墊層、填土、路基各階段施工完畢后，樁身最大軸力分別為5 317 kN、5 750 kN、6 424 kN，并且隨著橋下道路施工的進行，樁身最大軸力位置逐漸加深。

2.4.2 樁側(cè)摩阻力

在高架橋及橋下道路的各施工階段，群樁中試驗樁a樁側(cè)摩阻力沿樁長的分布如圖5所示。

圖5 不同施工階段各試驗樁的樁側(cè)摩阻力分布

由圖5可知，在高架橋施工階段，承臺荷載逐漸增大，使得樁身沉降大于樁周土體的沉降量，樁側(cè)摩阻力為正值，并且各試驗樁的樁側(cè)正摩阻力沿樁長逐漸增大，在持力層中正摩阻力急劇增長，達到最大值。高架橋施工完畢后，樁側(cè)摩阻力最大值分別為50.4 kPa。路基施工完畢后，角樁的樁側(cè)最大負摩阻力為-12.8 kPa。

3 施工期樁基Midas GTS/NX數(shù)值模擬

3.1 Midas GTS/NX數(shù)值模型

本文選取Hardening Soil土體本構模型來模擬土體行為，采用線彈性本構模型來模擬樁基，以界面單元來模擬樁-土之間的相互作用，考慮樁-土接觸面參數(shù)。土體和樁基均采用實體單元來模擬，建立群樁基礎及其橋下道路的PLAXIS 3D有限元數(shù)值模型，計算模型橫橋向X方向取80 m，順橋向Y方向長度為40 m，樁底持力層較好，Z方向取100 m。承臺兩側(cè)為橋下道路，墊層和填土的厚度均為0.5 m，路基厚度為0.55 m，路堤按照1：1.5放坡。

3.2 施工期樁基數(shù)值模擬分析

3.2.1 樁身軸力分析

高架橋及橋下道路施工期，群樁中各樁的樁身軸力沿樁長的分布如圖6所示（圖中：A～E表示基樁施工、承臺施工、墩身施工、蓋梁施工、架梁施工，F(xiàn)～H表示橋下道路施工階段，分別為墊層施工、填土施工、路基施工）。

圖6 數(shù)值模擬不同施工階段各樁的樁身軸力分布

由圖6可知，在各施工階段，群樁中各樁的樁身軸力沿樁長方向先增大后減小。在高架橋施工階段，隨著承臺荷載的增大，各樁的樁頂軸力逐漸增大；在橋下道路施工階段，承臺荷載無變化，樁頂軸力基本無變化，但由于樁身上部出現(xiàn)負摩阻力，樁身軸力沿樁長方向增長較為明顯。

3.2.2 樁側(cè)摩阻力分析

在高架橋及橋下道路施工期，9#墩群樁中各樁的樁側(cè)摩阻力沿樁長的分布如圖7所示。

圖7 數(shù)值模擬不同施工階段各樁的樁側(cè)摩阻力分布

由圖7可知，在高架橋施工階段，各樁的樁側(cè)均為正摩阻力，沿樁長逐漸增大并在持力層中急劇增大；在橋下道路施工階段，樁身中上部開始出現(xiàn)負摩阻力，負摩阻力沿樁長先增大后減小，中性點位置也逐漸下降。

4 施工期樁基現(xiàn)場試驗監(jiān)測值與數(shù)值模擬結果的對比分析

橋下道路的路基施工完畢后，現(xiàn)場試驗監(jiān)測的各樁軸力值與數(shù)值模擬值沿樁長的分布情況基本相同，均為沿樁長方向先增大后減小，證明本文的數(shù)值模型較為合理；數(shù)值模擬的樁身軸力值小于現(xiàn)場監(jiān)測試驗值，可能的原因是現(xiàn)場實際情況復雜，如地面的臨時土體堆載等會使樁側(cè)摩阻力增大，導致樁身軸力增大。

路基施工完畢后，現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬得到的樁身最大軸力及負摩阻力產(chǎn)生的下拉力見表2。

表2 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬值對比

由表1可知，試驗樁樁身最大軸力及下拉力的現(xiàn)場試驗值均大于數(shù)值模擬值。樁基a現(xiàn)場試驗的最大軸力及下拉力分別比數(shù)值模擬值大4.3%、29.1%。

除了地面臨時土體堆載導致兩者計算結果有所差異，可能原因還有：數(shù)值模型中假定同一土層中摩阻力均勻變化，而實際上摩阻力變化較為復雜；現(xiàn)場試驗條件比較復雜，如雨水沖刷等會使土體沉降固結增大，導致樁的負摩阻力、軸力增大。

5 結 論

在高架橋及橋下道路施工期，樁身軸力沿樁長方向均為先增大后減??；隨著高架橋施工的進行，樁身軸力逐漸增大，其中架梁施工完成時樁身軸力增大最為明顯。

在橋下道路施工期，各樁的樁身上部開始出現(xiàn)負摩阻力，負摩阻力沿樁長先增大后減小，由于負摩阻力的下拉作用，樁身中部的軸力明顯增大。

樁現(xiàn)場試驗的軸力值與數(shù)值模擬值沿樁長的分布情況基本吻合，數(shù)值模型較為合理；受各種因素影響，各樁的樁身最大軸力及下拉力的現(xiàn)場試驗值均大于數(shù)值模擬值。