羅海煉， 何生鵬， 田海濤， 夏子又

(1.中電建路橋集團有限公司， 北京 100048；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 成都 610036)

0 引言

隨著國內(nèi)公路交通建設(shè)的快速發(fā)展，越來越多高速公路不可避免地穿過巖溶區(qū)域。在串珠狀溶洞區(qū)，若樁側(cè)溶洞較為發(fā)育、數(shù)量較多、幾何尺寸存在差異，且不同區(qū)域下部樁基持力層埋置深度不同，則相鄰橋墩下部樁長設(shè)計可能存在較大區(qū)別。橋墩施工成形后，上述因素容易引起相鄰橋墩發(fā)生較大差異沉降，嚴重時甚至導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)[1]。

造成橋墩差異沉降的因素較為復(fù)雜，一些學(xué)者就其相關(guān)問題展開了研究。如張向東等[2-3]對近距離開挖基坑時既有橋梁相鄰橋墩差異沉降相關(guān)影響因素開展了相關(guān)分析，明確了深基坑開挖引起橋墩位移的影響規(guī)律；鄒波等[4-6]討論了舊橋拓寬工程中新舊橋梁下部相鄰橋墩差異沉降分布模式及沉降差異大小對上部結(jié)構(gòu)受力影響程度，提出沉降差異新標準；馮玉林等[7-8]對于相鄰橋墩不均勻沉降引起的橋位變形的安全性、平穩(wěn)性進行分析，做出評估及處理。此外，復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境因素的作用也不可忽視。吳楠等[9-10]為探究軟土地區(qū)下結(jié)構(gòu)差異沉降發(fā)展特性，通過定期的沉降觀測，明確軟土地區(qū)橋墩差異沉降的發(fā)展規(guī)律；在巖溶分布地區(qū)，駱俊杰等[11]對巖溶區(qū)樁基設(shè)計的實例進行分析，闡述了巖溶發(fā)育各因素對橋梁樁基的影響，為巖溶地區(qū)城市橋梁樁基設(shè)計工作提供參考；黃俊杰等[12]考慮復(fù)雜巖溶地區(qū)地基承載特性，針對某既有線橋梁在上部荷載長期作用下橋墩產(chǎn)生沉降和傾斜的問題，分析進行加固處理后基礎(chǔ)沉降量隨樁長改變的規(guī)律；范明明等[13]等針對地基承載力不足引起的不均勻沉降問題，提出壓樁、注漿加固等綜合糾傾加固方法。但上述文獻大多集中于設(shè)計階段單樁基穩(wěn)定性以及橋梁建成后糾傾加固措施研究，卻忽略了單樁穩(wěn)定性滿足標準后上部相鄰墩柱間差異沉降變形過大引起的危害。

本文考慮串珠狀溶洞區(qū)域特殊地質(zhì)條件，建立樁-土-溶洞一體化三維有限元模型，首先針對研究區(qū)域相鄰橋墩下部樁側(cè)溶洞大小、數(shù)量不一的特點，分析溶洞高度、寬度、數(shù)量對樁基沉降的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進一步分析其對相鄰橋墩差異沉降的影響；其次，針對相鄰橋墩下部樁基設(shè)計參數(shù)差異的問題，重點分析樁長、樁徑對樁基沉降量的影響，進而討論其對相鄰橋墩差異沉降的影響；最后，根據(jù)相關(guān)溶洞與樁基因素對相鄰橋墩差異沉降影響結(jié)果進行分析，提出影響相鄰橋墩差異沉降的關(guān)鍵因素，為串珠狀溶洞區(qū)高速公路橋梁樁基設(shè)計與施工提供理論指導(dǎo)。

1 計算模型

1.1 工程概況

該公路工程位于廣州地區(qū)，局部地段巖溶地質(zhì)較為發(fā)育。沿線地質(zhì)勘探結(jié)果表明，地表覆蓋較厚，巖溶發(fā)育深度一般為 15.5～ 36.0 m不等，溶洞高度為2.0～ 8.0 m，寬度為2.0～ 9.0 m。巖層內(nèi)部擁有豐富的季節(jié)性地下水補給，灰?guī)r中發(fā)育一定規(guī)模的裂隙，為隱伏巖溶洞隙的發(fā)育創(chuàng)造良好條件，地下水沿著可溶巖的裂隙豎直滲透，形成大小、形狀不一的孤立溶洞，同一豎直面上分布有1～3層溶洞。沿線地段橋梁下部樁基需穿透上覆軟弱土層，嵌入持力巖層3～5倍樁徑深度，如遇下部溶洞發(fā)育地區(qū)樁基需穿透溶洞，其長度一般設(shè)計為18.6～ 48.6 m，直徑控制在1.2 m左右。

1.2 建立有限元模型

將研究區(qū)域土體視為均質(zhì)、各向同性的彈塑性體，將樁基視為均質(zhì)、各向同性的彈性體，且不存在破壞荷載。將巖溶內(nèi)部充填物視為樁基沉降控制有利因素，因而分析時忽略其影響。根據(jù)規(guī)范[14]規(guī)定，相鄰橋墩因不同沉降在縱斷面上引起的附加折角不超過 2‰，應(yīng)保證橋梁相鄰橋墩差異沉降量控制在一定范圍內(nèi)，滿足規(guī)范穩(wěn)定性需求。為分析相鄰橋墩差異沉降量，假設(shè)同一橋墩下群樁各樁基沉降量相同，不考慮群樁效應(yīng)，用樁基沉降量表示橋墩沉降量。設(shè)一般地段(無溶洞區(qū)域)橋梁下部橋墩為橋墩A，同時設(shè)置溶洞區(qū)域橋墩為橋墩B，兩者相鄰，為橋墩B下部樁基設(shè)置不同工況計算其沉降量，相鄰橋墩A、B間沉降差值為相鄰橋墩差異沉降量。

建模時，樁頂荷載按上部7×25 m預(yù)制箱梁與橋面鋪裝自重均分至單個橋墩考慮。相鄰橋墩沉降問題簡化采用單樁沉降值進行分析，在此條件下對相鄰橋墩差異沉降影響因素進行分析。樁基與土體影響范圍為5～10倍的樁徑，模型在樁端以下多取10 m巖層厚度。根據(jù)模型對稱性的特點，為提高計算效率，選1/4模型進行模擬計算。ABAQUS軟件提供了多種計算單元類型，本模型單元選用八節(jié)點線性減縮積分三維應(yīng)力單元(C3D8)。模型進行單元網(wǎng)格劃分時，為確保計算精度，對可能出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域進行網(wǎng)格加密。模型邊界條件定義為：土體外側(cè)圓弧面設(shè)置法向約束，土體底部設(shè)置固定約束，土體與樁基徑向切面施加固定約束，頂部為自由表面。

分析時，應(yīng)根據(jù)不同研究工況，考慮溶洞數(shù)量、洞寬、洞高等條件進行建模，圖1為考慮3個溶洞、6 m洞高、8 m洞寬的有限元分析模型。當溶洞數(shù)量少于3個時，溶洞數(shù)量依次從下往上減少。具體巖土層分布特征見圖1。

圖1 樁土作用模型

1.3 材料參數(shù)

有限元模型中，上覆黏土層采用摩爾-庫倫模型進行模擬，并采用Drucker-Prager模型模擬樁周巖土，各巖土層及樁基材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料力學(xué)參數(shù)模型名稱彈性模量/MPa泊松比摩擦角/(°)膨脹角/(°)黏聚力/kPa上覆黏土110.3150.560樁周巖土20 0000.2543.64-樁基28 0000.2---

1.4 影響因素與分析工況

巖溶發(fā)育地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，影響相鄰橋墩差異沉降的因素眾多。本文重點針對溶洞幾何尺寸(高度、寬度、數(shù)量)與樁基設(shè)計尺寸(長度、直徑)等影響因素進行分析，探明上述因素對相鄰橋墩差異沉降的影響規(guī)律。橋墩A對應(yīng)的樁基與溶洞相關(guān)計算參數(shù)如表2所示；根據(jù)研究區(qū)域的溶洞分布特征和樁基設(shè)計情況，不同計算工況下橋墩B對應(yīng)的樁基及溶洞計算參數(shù)如表3所示。

表2 橋墩A下樁基及溶洞計算參數(shù)溶洞高度/m溶洞寬度/m溶洞數(shù)量/個樁基長度/m樁基直徑/m68020.41.2

表3 橋墩B下樁基及溶洞計算工況工況溶洞高度/m溶洞寬度/m溶洞數(shù)量/個樁基長度/m樁基直徑/m12、4、6、88147.41.2262、4、6、8147.41.23680、1、2、347.41.2468020.4、29.4、38.4、47.41.2568347.41.2、1.4、1.6、1.8

2 計算結(jié)果與分析

利用建立的有限元模型進行仿真計算，可得橋墩A沉降量為28.96 mm，同時計算不同工況下橋墩B的沉降量，其對應(yīng)的沉降量差值即為相鄰橋墩A、B間差異沉降量。

2.1 溶洞高度

研究溶洞高度對橋梁相鄰橋墩差異沉降影響時，橋墩B下樁基及溶洞參數(shù)按表3工況1設(shè)置，溶洞高度考慮2、4、6、8 m 4種情況。

計算結(jié)果如圖2所示，橋墩B沉降量隨溶洞高度增加呈線性增大趨勢。溶洞高度由2 m升至8m，由于樁周土體支撐作用減弱，樁基沉降加劇，橋墩B沉降量由55.10 mm增至57.39 mm，變化量為2.29 mm。其與相鄰橋墩A間差異沉降值為26.14～28.43 mm，可見溶洞高度對相鄰橋墩差異沉降存在一定影響。

圖2 溶洞高度對相鄰橋墩差異沉降影響

2.2 溶洞寬度

分析溶洞寬度對于橋梁相鄰橋墩差異沉降影響時，橋墩B下樁基及溶洞計算參數(shù)根據(jù)表3工況2設(shè)置，溶洞寬度按2、4、6、8 m 4種情況考慮。

計算結(jié)果如圖3所示，溶洞寬度由2 m增至8 m，橋墩B沉降量從56.49 mm增至56.67 mm，沉降變化量為0.18 mm，相鄰橋墩差異沉降量由27.53 mm增至27.71 mm。隨溶洞寬度增大，雖然兩側(cè)土體自身穩(wěn)定性受到影響，土體下沉，樁周摩阻力降低，但樁基與周圍土體間接觸面積不變，對于相鄰橋墩差異沉降影響較小。

圖3 溶洞寬度對相鄰橋墩差異沉降影響

2.3 溶洞數(shù)量

分析溶洞數(shù)量對于橋梁相鄰橋墩差異沉降影響時，橋墩B下樁基及溶洞計算參數(shù)根據(jù)表3工況3設(shè)，置溶洞數(shù)量按0、1、2、3個4種情況考慮。

由圖4數(shù)據(jù)可知，隨著溶洞數(shù)量由0增加到3個，橋墩B沉降量由54.38 mm升至58.82 mm，沉降增大量為4.44 mm，增大趨勢漸緩，與相鄰橋墩A間差異沉降量從25.42 mm增至29.86 mm。隨溶洞數(shù)量增加，樁周土體減少，樁側(cè)摩阻力降低，側(cè)向土體支撐作用減小，可見溶洞數(shù)量對于相鄰橋墩差異沉降有一定影響。

圖4 溶洞數(shù)量對相鄰橋墩差異沉降影響

2.4 樁基長度

因溶洞分布差異相鄰橋墩下樁長設(shè)計不同，就樁長單因素進行分析，避免其余因素影響，取無溶洞環(huán)境進行模擬，分析樁長變化下相鄰橋墩差異沉降變化，橋墩B下樁基及溶洞計算參數(shù)按照表3工況4設(shè)置，樁長分別取20.4、29.4、38.4、47.4 m 4種情況。

計算結(jié)果如圖5所示，樁長由20.4 m增至47.4 m，相應(yīng)橋墩B沉降量由28.96 mm升至54.38 mm，與相鄰橋墩A間差異沉降量由0 mm升至25.42 mm。隨樁長增加，樁基承載能力增強，但在上部荷載作用下樁基自身壓縮變形量隨長度增加而增大，相鄰橋墩差異沉降量增大，樁基長度變化對相鄰橋墩差異沉降有較大影響。

圖5 樁基長度對相鄰橋墩差異沉降影響

2.5 樁基直徑

分析樁徑對于相鄰橋墩差異沉降影響，橋墩B下樁基及溶洞計算參數(shù)如表3工況5設(shè)置，取直徑為1.2、1.4、1.6、1.8 m 4種情況進行分析。

分析結(jié)果如圖6所示，樁直由1.2 m增至1.8m，橋墩B沉降量由58.82 mm降至32.77mm，變化量為26.05 mm，與相鄰橋墩A間差異沉降量由28.11 m降低至2.06 mm。隨樁徑增大，受力面積增加，在相同大小壓力作用下，樁頂壓強減小，樁基壓縮變形量減小，增大樁徑可有效降低相鄰橋墩差異沉降。

圖6 樁基直徑對相鄰橋墩差異沉降影響

3 結(jié)論

1)通過對比溶洞高度、溶洞寬度、溶洞數(shù)量等溶洞特性參數(shù)對相鄰橋墩差異沉降量的影響，溶洞數(shù)量較其它因素影響更為顯著；但溶洞數(shù)量由0增至3時，其最大變化量僅為4.44 mm，因而溶洞特性參數(shù)對相鄰橋墩差異沉降的影響不大。

2)當兩相鄰橋墩中一橋墩下部樁長為20.4m，而另一橋墩下部樁長由20.4 m增至47.4 m，即增長27 m時，相鄰橋墩差異沉降量增大25.42 mm，而當樁徑由1.2 m增至1.8 m時相鄰橋墩差異沉降最大變化26.05 mm。與溶洞幾何特性相比，相鄰橋墩差異沉降量受樁基相關(guān)設(shè)計參數(shù)影響更大。

3)處于串珠狀溶洞區(qū)域的高速公路橋梁，其相鄰橋墩易因溶洞分布不均勻?qū)е孪虏繕堕L設(shè)計不同引起較大差異沉降；當此差異沉降量超過限度，可通過增大樁徑減小相鄰橋墩差異沉降，以維護橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全。