側(cè)方堆載作用下高架橋群樁基礎(chǔ)變形分析

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1、側(cè)方堆載作用下高架橋群樁基礎(chǔ)變形分析側(cè)方堆載作用下高架橋群樁基礎(chǔ)變形分析梁育瑋1，2，邊學(xué)成1，2，董亮3(1.浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室，浙江杭州310058;2.浙江大學(xué)巖土工程研究所，浙江杭州310058;3.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)摘要針對一城際鐵路由于側(cè)向堆載而使橋墩產(chǎn)生側(cè)向變形的案例，利用三維有限元軟件PLAXIS233D建立堆載-土-結(jié)構(gòu)相互作用有限元模型，并通過離心機試驗與現(xiàn)場實測結(jié)果加以驗證，從而分析側(cè)向堆載作用下樁與土的沉降、變形及樁身彎矩、軸力分布規(guī)律。首先建立了樁與承

2、臺鉸接、固接的2種模型，計算得出2種工況下樁的受力與變形，現(xiàn)場實測墩頂中心側(cè)向位移介于二者之間。其次分別建立樁端自由與樁端固定情況的樁基模型，計算結(jié)果表明2種情況下承臺傾斜方向相反。最后對該客專高架橋樁基進行抗彎承載力檢算，推斷該處樁已經(jīng)發(fā)生剪切破壞，并給出了不同堆載高度下堆載的安全距離。關(guān)鍵詞高速鐵路;側(cè)向堆載;三維有限元分析;群樁基礎(chǔ);側(cè)向變形位于軟土地基中的高架橋梁，常常由于施工期間堆載、填土或使用期間大面積填土而引發(fā)橋梁地基土變形，從而導(dǎo)致樁基礎(chǔ)變形，并威脅到橋梁上部結(jié)構(gòu)安全。側(cè)向堆載不僅會導(dǎo)致樁周土體沉降、樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力

3、、樁的豎向荷載增加并引起基礎(chǔ)不均勻沉降，而且由堆載引起土體的側(cè)向變形會對鄰近樁基礎(chǔ)施加水平荷載，導(dǎo)致樁基出現(xiàn)側(cè)向位移和撓曲變形。因此，有必要對在側(cè)向堆載作用下的高架橋樁基礎(chǔ)沉降及變形規(guī)律進行研究，為今后高架橋的側(cè)向變形控制以及樁基礎(chǔ)設(shè)計和施工提供理論依據(jù)。受側(cè)向堆載作用的樁屬于被動樁。國內(nèi)外關(guān)于被動樁已有不少研究，主要采用現(xiàn)場試驗、理論分析、離心機模型試驗、有限元分析等方法。理論分析通常采用基于土壓力的方法和基于土位移的方法?；谕翂毫Φ姆椒ǎ?-3］通過假定樁身土壓力分布形式來確定樁身最大彎矩和樁身位移。基于土位移的方法［4］通過

4、輸入土的位移來計算樁的側(cè)向位移與樁身彎矩分布。23隨著試驗技術(shù)的發(fā)展，越來越多研究采用離心機模型試驗和有限元分析方法。離心機模型試驗中土性是可以控制的，并且能安裝比現(xiàn)場測試更多的儀器來獲取試驗數(shù)據(jù)。文獻［3］通過大量有關(guān)軟土地基中鄰近路堤超載對橋臺樁產(chǎn)生的側(cè)向荷載的離心機模型試驗，研究不同幾何尺寸的群樁和樁帽條件的影響，還利用了二維有限元模擬離心機試驗。模擬時將一排樁用板樁墻替代，剛度取樁與樁間土的平均值。但板樁墻中的土和樁的相對位移是無法模擬的。文獻［5］應(yīng)用離心機模型試驗研究了軟土中短期和長期側(cè)向堆載作用下群樁的性狀，指示在堆載

5、剛完成時樁處于最危險的狀態(tài)。由于二維有限元無法很好地模擬樁土間的相對位移，文獻［6］在二維平面應(yīng)變有限元分析中使用“連接單元”考慮樁土相對位移的三維效應(yīng)。文獻［7］建立三維有限元模型，利用非線性的應(yīng)力歷史相關(guān)的本構(gòu)模型來描述黏土的性狀，得到堆載大小、樁土相對位移與樁身所受側(cè)向土壓力的關(guān)系。文獻［8］利用離心機模型試驗研究了堆載作用下鄰近端承樁基的時間相關(guān)響應(yīng)性狀，分析了樁身位移和彎矩，并用參數(shù)α表示堆載大小與樁身所受平均側(cè)向土壓力的線性關(guān)系。文獻［9］以離心機模型試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為參考，建立二維有限元模型分析土層性質(zhì)、樁頂約束

6、條件、土體固結(jié)程度對樁身側(cè)向土壓力的影響。文獻［10］使用三維有限元分析軟件PLAXIS233D建立了軟土樁基全高度橋臺數(shù)值模型，得到超靜孔壓、土的豎向和水平位移、樁的位移和彎矩，能與離心機模型試驗數(shù)據(jù)較好地吻合。國內(nèi)，文獻［11］對地面堆載作用下鄰近的樁基性態(tài)進行二維有限元分析，研究了堆載荷載大小與作用位置、土層條件、樁身約束條件對樁的性狀的影響;文獻［12］采用三維有限差分軟件模擬樁間土拱效應(yīng)的形成過程，發(fā)現(xiàn)三維數(shù)值模型中的樁周土體應(yīng)力比二維數(shù)值模型要小;文獻［13］采用三維有限元分析方法，建立了較復(fù)雜多層土模型，樁土界面采用共

7、節(jié)點的做法，研究淺層土體彈性模量和樁身剛度對樁側(cè)向位移的影響。在實際的工程施工中，由于對地面堆載問題的重視和監(jiān)管不夠，堆載面積、距離和高度難以控制，往往會引發(fā)不少工程問題。本文結(jié)合一城際鐵路特大橋橋墩偏移的實例，利用PLAXIS3D建立高速鐵路橋梁墩臺、樁基礎(chǔ)及地基土相互作用的有限元模型分析側(cè)向堆載作用下樁基礎(chǔ)的受力、變形特性。1工程概況一城際鐵路特大橋0#～16#墩途徑地形平坦的菜地及藕塘。地表層為2m左右的雜填土，其下為10～13m厚的流塑狀淤泥質(zhì)黏土，再下層為5～9m的可塑狀粉質(zhì)黏土，再下層為約13m厚強風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，下伏弱

8、風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。10#墩處土層基本參數(shù)見表1。墩臺采用8根直徑1.0m的樁基礎(chǔ)，按摩擦樁設(shè)計，樁長34m。樁基礎(chǔ)橫向樁間距2.7m，縱向樁間距3.0m。承臺為10.2m(長)×5.1m(寬)×2.023m(高)的矩形承臺。橋梁為預(yù)制簡