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        傾斜地基橋臺樁基加固的有限元分析

        2017-11-01 12:32:35陳朝栩
        福建交通科技 2017年5期
        關(guān)鍵詞:樁基有限元分析

        ■ 陳朝栩

        (1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所;2.福建省路翔工程設(shè)計有限公司;3.福建省公路工程試驗檢測中心站,福州 350004)

        傾斜地基橋臺樁基加固的有限元分析

        ■ 陳朝栩1,2,3

        (1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所;2.福建省路翔工程設(shè)計有限公司;3.福建省公路工程試驗檢測中心站,福州 350004)

        針對山區(qū)某高速公路上某傾斜地基上的橋臺,基于MIDAS/GTS NX大型巖土有限元分析軟件,建立考慮巖土體與樁土接觸特性的傾斜地基—橋臺—樁模型,對傾斜地基上橋臺施工過程進(jìn)行了有限元模擬,分別對樁基加固前、后計算工況進(jìn)行分析。結(jié)果表明:采用樁基加固后,橋臺的沉降變形明顯降低,降低幅度超過70%;最內(nèi)側(cè)樁的彎矩隨著后緣堆土施工及土坡坡面頂部加載呈現(xiàn)逐漸增大趨勢,且最大樁身彎矩值的增幅約在10%~20%之間。

        樁基 軟巖 橋臺基礎(chǔ) 有限元分析

        1 引言

        隨著我國經(jīng)濟(jì)快速的發(fā)展,交通建設(shè)得以大力開展,尤其是山區(qū)高速公路的建設(shè)。山區(qū)地基因強(qiáng)度較低而出現(xiàn)不均勻沉降,導(dǎo)致建設(shè)的工程發(fā)生基礎(chǔ)斷裂、傾斜、地基滑動等事故[1]。在山區(qū)高速公路的建設(shè)中,為滿足總體路線設(shè)計要求,傍山公路及傍山隧道逐步增多,常采用橋梁和隧道對公路進(jìn)行連接,其中,路橋連接中涉及到橋臺加固施工,且橋臺樁基礎(chǔ)常坐落于傾斜的地基,應(yīng)當(dāng)對該問題進(jìn)行重視。

        在山區(qū)公路建設(shè)中兩類典型的低強(qiáng)度傾斜地基十分常見,一種是斜坡軟土,另外一種是松散的巖堆坡地。從力學(xué)角度分析,軟土地區(qū)橋臺路基填土?xí)r,橋臺基樁彎矩及樁側(cè)負(fù)摩阻力因填土高度及施工順序不同而改變,橋臺基樁彎矩對橋臺樁基側(cè)向影響主要集中在過渡段填筑期[2-3],此時臺后路基荷載會使地基軟弱下臥層發(fā)生壓縮和水平移動,致使橋臺樁基的受力性狀十分復(fù)雜[4]。基于有限元分析,傾斜軟弱地基的破壞模式為沿地基傾斜方向向下滑裂破壞,在填土荷載作用下地基失穩(wěn)的可能性更大[5]。有限元方法一定程度上反映土體的本構(gòu)關(guān)系,可以采用有限元方法來評價傾斜軟弱地基填方工程在應(yīng)用樁基礎(chǔ)前、后的安全性。

        本文針對福建某高速公路中的某橋臺基礎(chǔ),基于MIDAS/GTS NX大型巖土有限元分析軟件,建立考慮巖土體與樁土接觸特性的傾斜地基-橋臺-樁模型,研究了傾斜地基上橋臺樁基加固的效果。

        2 工程概況

        該模型(圖1)由相互不同的3個地層和鄰接傾斜地基的橋臺基礎(chǔ)及樁組成。本案例基于堆土體施工及荷載加載的施工階段進(jìn)行分析。

        在6.4m×10m的基礎(chǔ)板上端建立橋臺,在堆土體上部把 100kN/m2的荷載分成5個階段加載,分析在每一階段的橋臺水平位移及沉降趨勢。同時在基礎(chǔ)下部添加20個規(guī)格為600 mm×12mm的鋼管樁,并分析其對基礎(chǔ)沉降的影響,生成2個計算工況:樁基礎(chǔ)加固前、樁基礎(chǔ)加固后,以此來判斷樁基礎(chǔ)的適用性。

        圖1 模型示意圖

        3 計算模型

        3.1 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

        圖2和圖3為模型的三維網(wǎng)格劃分圖,網(wǎng)格最大尺寸設(shè)為1m。其中巖土體采用實體單元建模,樁和樁土接觸界面采用梁單元,作為抗拉壓、抗剪切、抗扭轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,可以定義樁界面周圍和樁端上的剛度,以確定樁與相鄰?fù)馏w的摩擦行為和相對位移。

        圖2 模型整體三維網(wǎng)格劃分示意圖

        圖3 樁三維網(wǎng)格劃分示意圖

        3.2 材料參數(shù)

        巖土體采用摩爾庫倫模型,橋臺和樁采用線彈性模型,具體參數(shù)如表1所示。樁土接觸界面的剪切剛度模量為50000kPa,剪切剛度模量為500000kPa。

        表1 巖土體與結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

        3.3 邊界條件

        樁單元約束Rz自由度,以防止自由度約束不足的錯誤發(fā)生。模型底部邊界約束豎向位移,模型前后方向約束x方向位移,模型左右約束y方向位移。

        3.4 計算工況

        為模擬該橋臺基礎(chǔ)施工過程,定義了2種計算工況,即未考慮樁基礎(chǔ)加固的施工工況和考慮樁基礎(chǔ)加固的施工工況。

        施工步驟如下:

        (1)地應(yīng)力分析,計算在施工前原場地的應(yīng)力初始分布。在此階段,原始巖層由于重力產(chǎn)生的變形清零,即只考慮施工以后產(chǎn)生的變形。該步驟對應(yīng)軟件中的施工分析步1。

        (2)開挖基礎(chǔ),用于橋臺施工。該步驟對應(yīng)軟件中的施工分析步2。

        (3)對于未加樁時,僅對橋臺及承臺施工,采用混凝土澆筑橋臺和承臺;對于加樁工況,對橋臺、承臺及樁基礎(chǔ)進(jìn)行施工。該步驟對應(yīng)軟件中的施工分析步3。

        (4)橋臺后緣堆土路基施工。該步驟對應(yīng)軟件中的施工分析步4。

        (5)路基上部堆載施工。該步驟對應(yīng)軟件中的施工分析步 5、6、7、8、9。

        4 計算結(jié)果分析

        4.1 橋臺水平位移

        針對兩種計算工況,給出模型的水平位移云圖,從圖4(a)、(b)可看出,加樁前水平位移最大的位置出現(xiàn)于坡面處,而加樁后水平位移最大位置向內(nèi)部移動。

        圖4 橋臺水平位移云圖

        4.2 橋臺沉降

        圖5為橋臺頂部節(jié)點沉降隨施工步驟的變化曲線,隨著施工過程的進(jìn)行,橋臺的沉降量逐漸增大,在2、3、4分析步中沉降占主要部分。從圖中可觀察到,加樁后橋臺的沉降明顯降低。

        圖5 橋臺頂部節(jié)點沉降隨施工步驟的變化曲線

        從圖6(a)和(b)可發(fā)現(xiàn),在施工結(jié)束后,加樁后橋臺頂部節(jié)點的沉降變形從5.6cm降至1.6cm,橋臺外側(cè)節(jié)點沉降變形從4.9cm降至1.1cm,降低幅度超過70%。

        圖6 橋臺沉降云圖

        4.3 承臺內(nèi)力分析

        加樁前后的承臺基礎(chǔ)板的彎矩(x方向)如圖7所示,對于未加樁時的承臺,其彎矩為“+”值,而加樁后,承臺彎矩的方向發(fā)生改變,為“-”值。說明樁基加固的效果顯著。

        圖7 承臺彎矩

        4.4 樁身分析

        沿x方向,給出中間一排樁的變形云圖,如圖8所示,水平位移最大值出現(xiàn)在最內(nèi)側(cè)樁頂部位,大小為4.58cm,豎向位移最大值也出現(xiàn)于此處,大小為0.46cm。

        圖8 樁體變形云圖

        樁身內(nèi)力云圖分布見圖9,樁身軸力分布均是中間大、兩端小,最大軸力出現(xiàn)于最內(nèi)側(cè)樁中部,大小為883kN。樁身彎矩分布如圖9(b)所示,最大彎矩值出現(xiàn)于最內(nèi)側(cè)樁中部,大小為324kN·m。

        圖9 樁身內(nèi)力云圖

        為了解施工過程中樁身的內(nèi)力變化,以最內(nèi)側(cè)樁為例,給出樁身彎矩隨施工過程變化曲線,見圖10。從圖中可知,在樁基礎(chǔ)施工結(jié)束時(施工步3),彎矩值很小,可以忽略不計,隨著后緣堆土施工及土坡坡面頂部加載(施工步4~9),樁身彎矩逐漸增大,最大彎矩出現(xiàn)于樁身1/4處,即風(fēng)化巖層處。且最大樁身彎矩值的增幅分別為19.06%、17.93%、16.89%、15.75%、14.66%, 呈線性增長趨勢,最終彎矩值達(dá)到324kN·m。

        圖10 最內(nèi)側(cè)樁身彎矩隨施工過程變化曲線

        5 結(jié)論

        本文針對某高速公路中的橋臺基礎(chǔ),采用有限元分析方法,建立了考慮巖土體與樁土接觸特性的傾斜地基-橋臺-樁模型和未設(shè)樁的模型,通過計算,分析了傾斜地基上橋臺樁基加固的效果。得到以下結(jié)論:

        (1)在樁基加固后,橋臺的水平位移變化不太明顯,但橋臺的沉降降低幅度超過70%,承臺的彎矩從正值變?yōu)樨?fù)值,加固效果明顯。

        (2)對橋臺進(jìn)行樁基加固后,樁身最大水平位移4.58cm,豎向位移0.46cm,最大軸力為883kN,最大彎矩為 324kN·m。

        (3)最內(nèi)側(cè)樁的彎矩隨著后緣堆土施工及土坡坡面頂部加載(施工步4~9)逐漸增大,最大彎矩出現(xiàn)于樁身1/4處,即風(fēng)化巖層處;且最大樁身彎矩值的增幅分別為19.06%、17.93%、16.89%、15.75%、14.66%, 最終最大彎矩值達(dá)到324kN·m。

        [1]石常青.山區(qū)巖土地基與處理分析[J].改革與開放,2011,(16):185.

        [2]聶如松,冷伍明,律文田.軟基臺后路基填土對橋臺樁基側(cè)向影響的試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2005,(12):1487-1490.

        [3]陳雪華,律文田,王永和.臺后填土對橋臺樁基的影響分析[J].巖土工程學(xué)報,2006,(07):910-913.

        [4]聶如松,冷伍明,楊奇,等.路基填土對橋臺樁基影響的試驗與數(shù)值仿真分析[J].巖土力學(xué),2009,(09):2862-2868.

        [5]劉金龍,陳陸望,汪東林.基于傾斜軟弱地基的填方工程特性分析[J].巖土力學(xué),2010,(06):2006-2010.

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