龐彪

摘要：文章以某特大橋連續(xù)剛構段為工程背景，研究了不規(guī)則地形軟巖介質(zhì)中的樁基礎單樁豎向承載特性。通過ABAQUS軟件建立三維有限元模型分析手段，對模型頂部采用位移加載方法，模擬了單樁的豎向荷載傳遞規(guī)律，提取了模型接觸面壓力分布、接觸面摩阻力分布、巖土體塑性分布、P-S曲線特征等作為分析指標，歸納總結了這類樁基礎的單樁豎向承載特性。

關鍵詞：軟巖;單樁;豎向承載力;數(shù)值模擬

文獻標識碼：U441+.2-A-19-059-4

0 引言

隨著西南地區(qū)鐵路建設的發(fā)展，鐵路路線在山區(qū)中的延伸已逐漸擴大，跨越河流山區(qū)等復雜地形是不可避免的問題，橋梁結構在山區(qū)中也因此應用廣泛。山區(qū)中的橋梁結構往往有著非常高的橋墩結構，超高橋墩造成了橋梁結構自重的增大，這對下部基礎的要求也相應提高。樁基礎作為目前應用最為廣泛的一種基礎類型，其施工工藝已比較成熟，它依靠端部與側(cè)向摩阻力承載，能很好地滿足各類上部結構的需求，且承載力較高，安全系數(shù)較大，而樁基礎側(cè)向摩阻力的發(fā)揮與地應力的分布密切相關，山區(qū)不規(guī)則的地形條件造成了地應力分布復雜不均，因此有必要對這類環(huán)境的樁基礎豎向承載特性展開研究，為類似工程的設計提供參考。

1 崖底樁基單樁有限元分析

本基礎為某特大橋18#墩基礎，其上部橋墩高82 m，樁基礎由25根基樁組成，單樁尺寸長25 m，直徑為2.5 m，樁間距為6.6 m，具體尺寸見下頁圖1。

其地處河谷位置，墩臺右側(cè)為高陡邊坡，平面相距5 m，高程差約70 m，陡壁植被較好，長滿灌木及雜草，土層覆蓋較薄，部分地方基巖裸露。地層主要為三疊系中統(tǒng)嘉陵江組灰?guī)r，主要性狀如下：

灰?guī)r（T2j）：淺灰-青灰色為主，局部為灰褐色，弱風化，中厚-厚層狀構造，節(jié)理裂隙較發(fā)育。巖體較完整，巖質(zhì)較硬，Ⅴ級次堅石，σ0=1 000 kPa，巖層產(chǎn)狀為N42°E/70°N。

現(xiàn)場開挖揭示地層為弱風化灰?guī)r夾泥灰?guī)r，薄-中厚層產(chǎn)狀，巖層產(chǎn)狀為N42°/70°N，主要發(fā)育一組近垂直密閉型節(jié)理，走向為N68°W，間距為1～3 m，延伸長度為3～5 m。該橋墩所在位置線路右側(cè)地形陡峭，結構面抗剪強度指標5 m以上φ=12°、c=20 kPa，5 m以下φ=29°、c=100 kPa。

橋址區(qū)地表水主要為大氣降水，地下水主要為第四系孔隙潛水與巖溶裂隙水，地表水及地下水水質(zhì)良好，無侵蝕性。

2 單樁有限元軟件模擬

2.1 基本假設

（1）基礎、巖層為均質(zhì)、各向同性材料。

（2）不考慮群樁效應。

（3）不考慮軟巖剪脹作用。

（4）不考慮樁基施工的地應力重分布。

（5）不考慮接觸面的粘結作用。

（6）基礎不發(fā)生塑性變形。

2.2 單樁模型建立

采用1∶1三維建模，為了簡化模型尺寸，采用等效荷載代替樁頂以上不規(guī)則地形，即可利用對稱性建立1/2模型，這大大簡化了模型單元數(shù)量。模型豎向取50 m，為樁基的2倍深度，橫向取45 m，縱向取10 m，在基礎位移處預留基礎尺寸孔位，底面固定，限制周圍水平位移?；A與巖土體的法向接觸采用硬接觸，切向接觸采用罰函數(shù)的摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.5 m，基礎采用彈性模型，巖土體采用彈塑性模型，塑性部分采用摩爾-庫倫模型。各材料參數(shù)如表1所示，采用C3D8D單元，單元數(shù)量總計9 930個，有限元模型如圖2所示，分析步分為地應力平衡分析步及位移加載分析步。

2.3 有限元結果分析

2.3.1 地應力平衡結果分析

地應力平衡效果如圖3及圖4所示。

由圖3及圖4可知：

（1）同一水平面上，懸崖側(cè)豎向應力要高于基礎側(cè)。

（2）豎向應力由上至下逐漸增大。

（3）地應力平衡最大位移量值為10e-7 m數(shù)量級。

由以上結果可知：

不規(guī)則地形的地應力平衡較為成功，地應力分布符合一般懸崖地形條件，其初始位移量值對后續(xù)的位移加載影響可忽略不計。

2.3.2 位移加載結果分析

2.3.2.1 P-S曲線結果分析

由圖5荷載沉降曲線得知：

（1）P-S曲線呈線性分布，無明顯拐點。

（2）隨著荷載的增加，樁頂沉降也在不斷累加。

（3）位移加載3 cm結束時，樁頂荷載為133 kN。

由以上結果可知：樁基礎單樁豎向沉降隨荷載的增加而增大，在軟巖介質(zhì)中單樁承載力較高，很難發(fā)生極限狀態(tài)下的破壞，P-S曲線大致呈線性分布。

2.3.2.2 樁身豎向應力及位移分布

提取樁中心點處豎向應力，扣除自重，沿深度繪制于圖6中，豎向位移分布見圖7。

由圖6、圖7可知：

（1）樁身豎向應力由淺至深逐漸變小，在樁頂處應力值最大，在樁端處應力值最小。

（2）樁身豎向應力在樁頂附近速度減小較緩慢，在樁端附近遞減速度較快，在埋深23 m處出現(xiàn)了拐點。

（3）樁頂沉降30 mm時，樁端應力與樁頂應力比值為0.52。

（4）樁身豎向位移沿埋深依次遞減，樁頂豎向位移30 mm時樁端沉降僅有10 mm，樁自身壓縮量及摩阻力引起的介質(zhì)壓縮量占到了20 mm。

由以上結果可知：

（1）豎向荷載在傳遞過程中沿埋深依次遞減，豎向荷載在樁端附近的折減加快。

（2）當樁頂沉降達到30 mm時，端阻占比達到了52%，證明樁基礎具有較高的側(cè)阻承載力，樁側(cè)摩阻力能分擔較多的豎向荷載。

（3）樁基礎承受豎向荷載時，樁頂沉降量由樁自身壓縮、樁端壓縮、摩阻力引起的介質(zhì)壓縮三部分組成。

（4）樁基礎在埋深較小處與介質(zhì)的相對位移較大，在埋深較大處與介質(zhì)的相對位移較小。

2.3.2.3 樁身摩阻力分布

樁頂沉降30 mm時，樁側(cè)摩阻力分布如圖8所示。

由圖8可知：

（1）在豎向承載作用下，軟巖介質(zhì)環(huán)境中的樁基礎摩阻力分布曲線呈雙峰型分布，在樁頂及0.72 L附近出現(xiàn)摩阻力峰值。

（2）單樁摩阻力曲線在靠近懸崖側(cè)及遠離懸崖側(cè)分布差異微小，兩側(cè)摩阻力曲線分布基本重合。

（3）在0～5 m范圍內(nèi)摩阻力曲線沿埋深依次遞減，5～18 m范圍內(nèi)摩阻力曲線沿埋深依次增大，18～25 m范圍內(nèi)摩阻力曲線沿埋深依次遞減。

（4）樁頂附近摩阻力峰值要高于0.72 L附近處的摩阻力峰值。

由摩阻力分布機理分析可知：

（1）樁身摩阻力的發(fā)揮依賴于樁土相對位移，在樁頂附近，樁與介質(zhì)的相對位移較大，摩阻力能夠得到充分發(fā)揮。

（2）樁身摩阻力的大小也與側(cè)向接觸面的法向應力有關，接觸面的法向應力不僅與初始地應力場有關，也與樁身的法向變形有關。在埋深較淺處，雖然水平地應力較小，但樁身豎向應力值較大，發(fā)生的橫向變形較大，造成側(cè)向接觸面的擠壓，而埋深較大處由于水平地應力較大，因此在較小相對位移時能發(fā)揮較大的摩阻力。

（3）樁端附近存在摩阻力為0，這是由于在樁端接觸面的擠壓變形過程中發(fā)生了側(cè)面接觸張開現(xiàn)象，側(cè)面接觸法向應力為0，使得摩阻力為0。

本工程中的18#墩基礎是按摩擦樁進行設計，而在有限元模擬中顯示端阻占比達到了52%，這是由于模型中是按樁頂30 mm的位移加載，而本基礎在橋梁完工時的沉降遠比30 mm要小，當位移加載過大時就會造成摩擦樁向端承樁的轉(zhuǎn)變。

3 結語

通過對實際崖底下方的樁基礎單樁有限元模擬，得出了如下幾點結論：

（1）崖底位置處的樁基礎在承受豎向荷載時，摩阻力曲線呈雙峰型分布，峰值分別位于樁頂及0.72 L附近。

（2）軟巖環(huán)境使樁基礎單樁承載力較高，安全系數(shù)較大，P-S曲線呈線性分布。

（3）單樁摩阻力在崖底環(huán)境中，樁周側(cè)阻力分布大致相同。

（4）豎向荷載沿樁身遞減，樁身與介質(zhì)的相對位移沿埋深發(fā)生遞減。

（5）摩阻力的發(fā)揮與樁土相對位移、接觸側(cè)面法向應力有關。

參考文獻

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收稿日期：2021-03-22

基金項目：廣西高校中青年教師基礎能力提升項目“圖紙缺失的在役梁式橋承載力檢測評定” （編號：2020KY34015）

作者簡介：龐 彪（1983—），碩士，講師，工程師，主要從事橋梁工程研究工作。