摘要:文章基于南湛高速公路南流江特大橋樁基施工案例,通過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,探討了注漿加固技術(shù)對(duì)橋梁樁基受力及變形特性的影響,并通過(guò)有限元數(shù)值模擬及分析技術(shù),從注漿加固的寬度、深度綜合分析了注漿加固在橋梁樁基工程中的實(shí)際應(yīng)用效果。結(jié)果表明:注漿加固顯著降低了鄰近樁基的側(cè)向位移,降幅達(dá)44.6%;在工程橋梁樁基工程中,當(dāng)加固寬度達(dá)到14.6 m時(shí),加固深度最佳閾值為4 m。研究成果可為同類(lèi)工程提供參考。
關(guān)鍵詞:注漿加固;橋梁樁基;受力;變形特性
中文分類(lèi)號(hào):U443.15A561863
0引言
隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn),橋梁作為連接各地、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要構(gòu)件,在現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)著舉足輕重的地位[1]。橋梁樁基作為支撐橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵基礎(chǔ),其穩(wěn)定性和安全性直接關(guān)系到橋梁的整體性能和使用壽命。在實(shí)際施工過(guò)程中,橋梁樁基的穩(wěn)定性和承載能力經(jīng)常受到地質(zhì)條件復(fù)雜、施工環(huán)境多變等因素的影響,這可能導(dǎo)致樁基出現(xiàn)受力不均、變形過(guò)大等問(wèn)題,嚴(yán)重威脅橋梁的安全與穩(wěn)定[2]。因此,探索有效的樁基加固技術(shù)顯得尤為重要。注漿加固技術(shù)作為一種能夠顯著提高土壤強(qiáng)度和穩(wěn)定性的方法,近年來(lái)在橋梁樁基施工中得到了廣泛應(yīng)用[3]。該技術(shù)通過(guò)向樁基周?chē)耐寥乐凶⑷胩囟ǖ募庸滩牧希愿纳仆寥赖奈锢砹W(xué)性能,進(jìn)而提升樁基的承載能力和穩(wěn)定性[4]。然而,盡管注漿加固技術(shù)在工程實(shí)踐中已有所應(yīng)用,但關(guān)于其對(duì)橋梁樁基受力及變形特性的具體影響,仍需進(jìn)一步深入探究。
基于此,本研究以實(shí)際工程案例為基礎(chǔ),通過(guò)綜合運(yùn)用實(shí)地監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬的方法,系統(tǒng)分析注漿加固技術(shù)對(duì)橋梁樁基受力及變形特性的影響[5]。通過(guò)本研究,期望能夠更深入地理解注漿加固技術(shù)對(duì)橋梁樁基性能的影響機(jī)制,為橋梁樁基的設(shè)計(jì)與施工提供科學(xué)的理論指導(dǎo)和實(shí)踐建議。同時(shí),為注漿加固技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和推廣提供有力支持,從而提升我國(guó)橋梁建設(shè)的質(zhì)量和安全性,保障交通運(yùn)輸?shù)捻槙撑c高效。
1工程概況
廣西南湛高速公路是《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2018—2030)》中“1環(huán)12橫13縱25聯(lián)”中的“聯(lián)13”線,也是廣東省高速公路網(wǎng)連通廣西的11條出省通道之一。其連接了廣西壯族自治區(qū)南寧市和廣東省湛江市,對(duì)提升兩廣地區(qū)的互聯(lián)互通水平具有重要意義。廣西南湛高速公路全長(zhǎng)約為187.2 km,設(shè)計(jì)速度為120 km/h。本研究選取南湛高速公路的南流江特大橋?yàn)榘咐?,其全長(zhǎng)為335 m,主跨跨越南流江,跨徑組合為85 m+155 m+85 m,是一座大跨徑連續(xù)梁橋。該橋采用單箱單室截面設(shè)計(jì),這種設(shè)計(jì)在保證橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí),也優(yōu)化了橋梁的視覺(jué)效果。由于南流江特大橋河床跨徑大、地勢(shì)復(fù)雜,鋼筋與預(yù)應(yīng)力管道交錯(cuò)、密集,連續(xù)剛構(gòu)橋跨度大,因此施工難度較高。此外,該大橋每個(gè)橋墩下方設(shè)置了4根樁基,采用的是鉆孔灌注樁或預(yù)制樁等類(lèi)型的樁基,且直徑和長(zhǎng)度會(huì)根據(jù)地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)要求來(lái)確定,施工模型圖見(jiàn)圖1。
2橋梁樁基受力及變形分析
2.1數(shù)值模擬計(jì)算
本研究采用Abaqus有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。依據(jù)工程實(shí)際概況建立施工模型,模擬計(jì)算橋梁樁基在施工中受力及變形特性,對(duì)詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理。將數(shù)值模擬得出的數(shù)據(jù)與實(shí)際施工的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,誤差越小說(shuō)明本次數(shù)值模擬的可行性越高。施工現(xiàn)場(chǎng)樁基分布詳見(jiàn)圖2。
在施工現(xiàn)場(chǎng),為了更為準(zhǔn)確地模擬注漿加固對(duì)橋梁樁基的影響,本研究在進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)嚴(yán)格按照施工現(xiàn)場(chǎng)注漿加固材料的具體范圍和強(qiáng)度參數(shù),對(duì)樁基的周?chē)寥肋M(jìn)行了深入的注漿加固數(shù)值模擬研究。在此之中,通過(guò)增加土體的彈性模量,成功地模擬了注漿后土體的實(shí)際狀態(tài)。為了更準(zhǔn)確地描述注漿加固土體的機(jī)械屬性,本研究引入摩爾-庫(kù)侖的本構(gòu)模型為基礎(chǔ),相關(guān)材料參數(shù)詳見(jiàn)表1。
在實(shí)際工程施工現(xiàn)場(chǎng),本研究采用了3 m×2 m的群樁基礎(chǔ)布局。樁基礎(chǔ)與承臺(tái)緊密相連,而承臺(tái)則進(jìn)一步與橋墩相接,從而有效地承載上部荷載。為了科學(xué)評(píng)估注漿加固對(duì)橋梁樁基所產(chǎn)生的效能影響,本研究將一組未進(jìn)行注漿加固施工的橋梁樁基進(jìn)行實(shí)際施工,并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工數(shù)據(jù),以此作為研究對(duì)照。通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬及實(shí)際施工的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入對(duì)比分析,能夠更精確地掌握注漿加固技術(shù)的實(shí)際效用。
2.2數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比
在實(shí)際基坑注漿加固施工后,本研究對(duì)實(shí)測(cè)受力及變形情況展開(kāi)了詳細(xì)監(jiān)測(cè)及記錄(詳見(jiàn)圖3)。從圖3可看出,在注漿加固之后,橋梁的最大水平位移之處主要出現(xiàn)在樁頂以及承臺(tái)的下底面位置。為此,本研究采用了C50混凝土來(lái)構(gòu)造中橫梁,這種材料的高彈性模量顯著提升了中橫梁的剛度,從而有效地控制了橋墩上部的水平位移。數(shù)據(jù)顯示,中橫梁上部的橋墩水平位移均保持在1 mm以下,這樣的微小位移在實(shí)際工程中幾乎可以忽略不計(jì)。
經(jīng)過(guò)精確計(jì)算,可以得出承臺(tái)的最大水平位移量為4.2 mm。與此同時(shí),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,水平位移的平均值為3.8 mm。通過(guò)對(duì)比分析,能夠發(fā)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果略高于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值。這種細(xì)微的差異可能源于土體參數(shù)的多樣性、所采用的本構(gòu)模型的特異性以及其他可能的影響因素。然而,在全面考慮各種因素后,可以證實(shí)本研究中采用的數(shù)值模型在取值上具有一定的可行性,且其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的偏差處于可接受范圍內(nèi)。
2.3基于注漿加固的橋梁樁基受力及變形特性分析
如圖4所示為注漿加固和未注漿加固橋梁樁基受力位移的幅度對(duì)比分析。由圖4可以看出,兩種樁基礎(chǔ)的樁身位移分布展現(xiàn)出高度的相似性,都隨著深度的遞增而逐漸減小。通常情況下,樁頂或其相鄰區(qū)域會(huì)出現(xiàn)最大的位移,無(wú)論是近樁還是遠(yuǎn)樁,在樁頂?shù)奈恢?,位移的量都是相同的。在沒(méi)有進(jìn)行注漿加固的前提下,遠(yuǎn)外樁的位移最為明顯,其次是近外樁,而遠(yuǎn)內(nèi)樁的位移則相對(duì)較小。但是,在對(duì)樁的周?chē)寥肋M(jìn)行注漿加固之后,可以清晰地看到相鄰樁基的樁身位移明顯減少,與未加固的情況相比,降幅相當(dāng)大。這一觀察結(jié)果有力地證明了注漿加固技術(shù)在控制樁身位移變形方面的卓越效果。
3注漿加固對(duì)橋梁樁基受力及變形的影響因素分析
通過(guò)對(duì)注漿加固與未加固土體的樁身位移特性進(jìn)行深入分析,發(fā)現(xiàn)在基坑的挖掘過(guò)程中,采用注漿加固方法可以明顯地控制相鄰樁基的受力和變形。由于漿液本身性質(zhì)和土體物理力學(xué)特性的復(fù)雜性以及施工工藝等方面因素的影響,使得注漿工藝與樁身結(jié)構(gòu)之間存在著復(fù)雜關(guān)系,進(jìn)而會(huì)直接影響到鄰近樁基的穩(wěn)定性。但是,在實(shí)際的施工過(guò)程中,確定注漿參數(shù)往往依賴于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn),這種基于經(jīng)驗(yàn)的取值可能會(huì)導(dǎo)致參數(shù)過(guò)大或過(guò)小,從而給工程造成不必要的損失。因此,有必要通過(guò)數(shù)值模擬手段來(lái)探究注漿參數(shù)與鄰近樁基應(yīng)力、應(yīng)變和位移等方面的關(guān)系。為了更加科學(xué)地研究不同加固參數(shù)對(duì)相鄰樁基受力變形的影響,本研究采用了Abaqus有限元分析軟件,對(duì)注漿加固的寬度和深度進(jìn)行了深入的研究。通過(guò)模擬結(jié)果分析,得出了一些有價(jià)值的結(jié)論,以期能為類(lèi)似的工程項(xiàng)目提供有價(jià)值的參照。
3.1注漿加固寬度對(duì)橋梁樁基受力及變形的影響
本研究采用緊靠樁身的注漿技術(shù),在注漿深度設(shè)定為8 m的基礎(chǔ)上,對(duì)不同注漿寬度進(jìn)行了全面研究,包括未加固狀態(tài)(0 m)及5.4 m、10.6 m、14.6 m、20.6 m、24.6 m、30.6 m等多種寬度?;谙马?yè)圖5所展示的結(jié)果,本研究詳細(xì)探討了不同注漿加固寬度下鄰近樁身位移隨深度的變化規(guī)律。研究結(jié)果揭示,在不同的注漿寬度條件下,樁身的側(cè)向移動(dòng)趨勢(shì)大體一致,并且隨著注漿寬度的逐漸擴(kuò)大,樁頂位置的樁身位移也逐步減少。對(duì)于不同長(zhǎng)度和直徑的錨桿,其樁底沉降均隨注漿寬度增大而減小,并且錨桿越長(zhǎng),這種變化越明顯。尤其在注漿寬度相對(duì)較小的情況下,樁身位移更為明顯,并且最大的位移通常集中在樁頂附近的區(qū)域。然而,當(dāng)注漿的寬度>14.6 m時(shí),其對(duì)樁身位移的作用變得微乎其微,此刻樁身位移逐漸穩(wěn)定,而樁頂位移依然是最為顯著的。這項(xiàng)研究表明,注漿加固的效果與注漿的寬度是正向關(guān)聯(lián)的,但當(dāng)寬度超出某個(gè)特定的界限時(shí),加固的效果增長(zhǎng)將變得不那么顯著。此外,如圖6所示也進(jìn)一步揭示了樁身最大位移與加固寬度的相互關(guān)聯(lián)。從圖6可以清楚地觀察到,當(dāng)注漿加固的寬度<14.6 m時(shí),樁身的最大位移以一個(gè)相對(duì)較大的斜率逐步降低;當(dāng)加固的寬度>14.6 m時(shí),斜率的減少幅度明顯減小。由此可見(jiàn),通過(guò)精確控制注漿寬度(當(dāng)注漿寬度為14.6 m時(shí)),能夠有效地控制樁身位移,從而提升工程結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。
3.2注漿加固深度對(duì)橋梁樁基受力及變形的影響
本次研究專(zhuān)注于探討注漿加固深度與樁身位移之間的關(guān)系。為了確保研究的全面性和準(zhǔn)確性,設(shè)定了注漿加固寬度為14.6 m,并系統(tǒng)地改變了注漿深度,具體取值涵蓋了從0 m(即未進(jìn)行注漿)到2 m、4 m、6 m、8 m以及12 m的一系列深度。這樣的設(shè)定旨在深入剖析注漿加固深度對(duì)樁身位移的影響。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)詳細(xì)記錄在圖7中,以便進(jìn)行深入的分析和討論。從宏觀的視角審視試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)樁身位移隨著注漿加固深度的增加而逐漸減小。然而,當(dāng)注漿加固深度>4 m后,樁身位移量趨于穩(wěn)定,不再隨注漿加固深度的進(jìn)一步增加而明顯變化。這表明在一定深度范圍內(nèi)增加注漿加固深度可以有效地減小樁身位移。但值得注意的是,當(dāng)加固深度達(dá)到一定閾值后(即4 m),其對(duì)樁身位移的改善效果將逐漸減弱并趨于飽和。這一結(jié)論對(duì)于優(yōu)化工程設(shè)計(jì)和確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要意義。
根據(jù)圖8所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)趨勢(shì)可以清晰地觀察到,隨著注漿加固深度的不斷增加,曲線割線的斜率呈現(xiàn)出較大幅度的逐漸減小。但當(dāng)加固深度超越4 m這一關(guān)鍵閾值時(shí),曲線割線斜率的降低速度顯著減緩,同時(shí)其變化范圍也大幅縮減。這一重要觀測(cè)結(jié)果揭示了一個(gè)現(xiàn)象:在加固深度>4 m后,注漿加固的效用開(kāi)始顯著下降,其對(duì)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用也相應(yīng)大幅降低。
4結(jié)語(yǔ)
本研究以廣西南湛高速公路南流江特大橋?yàn)閷?shí)際案例,通過(guò)Abaqus有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬及對(duì)比、分析注漿加固對(duì)橋梁樁基受力及變形的特性,并深入研究其影響因素,得出了在本項(xiàng)目的實(shí)際施工中,最佳注漿加固的寬度為14.6 m,最佳注漿加固的深度閾值為4 m的結(jié)論。本研究的實(shí)際工程案例應(yīng)用可為今后類(lèi)似研究提供理論資料,從而助力我國(guó)橋梁工程施工的進(jìn)步,提升我國(guó)橋梁建設(shè)的質(zhì)量和安全性,保障交通運(yùn)輸?shù)捻槙撑c高效。
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作者簡(jiǎn)介:甘夏連(1994—),助理工程師,主要從事高速公路建設(shè)計(jì)量工作。