淺析地面沉陷區(qū)樁基礎(chǔ)受力計算

黃性燏，張 勇，袁 磊

(1.廣東江肇高速公路管理中心，廣東 江門 529075;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

某高速公路橋梁下部結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)施工時出現(xiàn)了較大范圍的地面沉陷，影響范圍沿線路方向長約500 m，寬約60 m，深約8～14 m，總共存在5處較大地面沉陷點，其中6#橋墩附近的地面沉陷最大最嚴(yán)重，直徑約50 m，橋位附近的魚塘和養(yǎng)豬場也有不同程度的影響。從地面塌陷后的地貌來看，各塌陷區(qū)均呈漏斗狀，塌陷區(qū)只是塌陷深度及塌陷寬度有所不同，部分塌陷區(qū)相鄰較近，塌陷后連成一片形成不規(guī)則的塌陷區(qū)域。

由于地面塌陷時部分樁基礎(chǔ)、承臺及橋墩已經(jīng)施工完畢，塌陷后經(jīng)施工單位測量，1#～15#橋墩共50根φ160 cm樁基出現(xiàn)了偏位，其中偏位最大的樁基為左幅橋5#橋墩外側(cè)樁基，其縱橋向偏位為65 cm，橫橋向偏位為10 cm。出現(xiàn)偏位的樁基受力狀態(tài)如何以及是否可以繼續(xù)利用是擺在設(shè)計單位面前的一道難題，本文針對該橋塌陷后的現(xiàn)狀，結(jié)合地質(zhì)資料及測量資料，對偏位樁基的受力進(jìn)行計算分析，為該橋的基礎(chǔ)處理提供決策依據(jù)。

1 場地地質(zhì)情況

本工程場地位于灰?guī)r地區(qū)，基巖上部河流沖積層較厚，地下水豐富，巖溶十分發(fā)育。地面以下為20～30 m粉(細(xì))砂層、2～10 m中粗砂，之下為微風(fēng)化灰?guī)r;覆蓋層砂層厚，自穩(wěn)性差，巖層裂隙發(fā)育，溶洞相對較少，但個別溶洞超深。

2 偏位位移分析

該橋地面塌陷后施工單位共進(jìn)行三次有效測量，其中第一次測量值為回填之前的樁基偏位值，第二次和第三次測量值為回填之后的樁基偏位值，因此，本次受力分析時樁基偏位值按第一次測量值進(jìn)行取值。對于承臺未施工的樁基，目標(biāo)位移值即樁頂偏位按施工單位測量結(jié)果取值。對于承臺已施工的樁基，同一承臺處兩根樁基位移通常存在一定差異，為了便于結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)實測承臺四個角點位移推算承臺的平面內(nèi)剛體位移Δx、Δy及轉(zhuǎn)角 θ，并以此作為結(jié)構(gòu)分析的目標(biāo)位移值，計算中不考慮承臺軸向變形。承臺位移分解如圖1所示。

圖1 承臺位移分解圖

3 樁基受力模式分析

地質(zhì)勘探資料顯示，該橋塌陷區(qū)域覆蓋層主要為約30 m厚粉細(xì)砂夾淤泥質(zhì)土(或細(xì)砂)，基巖為微風(fēng)化灰?guī)r。結(jié)合地面塌陷區(qū)的分布特征，對地面塌陷過程中樁的受力機(jī)理分析如下:基底溶洞的存在是本次塌陷出現(xiàn)的主要原因，受基樁施工對土體擾動及地下水作用的影響，土層以開放式溶洞口為中心下陷，并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，形成漏斗狀塌陷坑。在土層下陷的過層中，基樁受兩側(cè)流動土體不平衡壓力影響發(fā)生變形，在塌陷區(qū)土體穩(wěn)定后土壓力不會自然消除，使得樁頂呈現(xiàn)明顯的偏位，偏位的大小及方向與樁身承受的土壓力及其分布相關(guān)。

從塌陷后樁基狀態(tài)調(diào)查結(jié)果來看，根據(jù)樁基位置與塌陷坑的平面位置關(guān)系可將目前受塌陷影響的樁基分為三類:樁位1—樁基處于塌陷核心區(qū)，樁周地面線較為平整;樁位2—樁基處于塌陷后的斜坡上;樁位3—樁基處于塌陷區(qū)之外，如圖2所示。圖2中的B為塌陷區(qū)地表寬度;B'為塌陷核心區(qū)寬度;b為溶洞或土洞頂面寬度;H為基巖覆蓋層厚度;φ為土層自然休止角。

根據(jù)以下基本假定確定上述樁基計算力學(xué)模式:①基巖覆蓋層土體為均勻砂性土;②產(chǎn)生樁身位移的不平衡力由穩(wěn)定土層分界線以上土體提供;③穩(wěn)定土層分界線以下的樁土相互作用按“m法”以土彈簧進(jìn)行模擬;④樁身在基巖面嵌固。

三種狀態(tài)下樁基受力模式如圖3所示。

圖2 塌陷區(qū)樁位分類示意

圖3 樁基計算力學(xué)模式示意

模式一:樁基處于塌陷核心區(qū)，樁身自由長度為h，地面線以下沿樁基埋深作用三角形荷載;

模式二:樁基處于塌陷后的斜坡上，樁身自由長度為h，地面線以下沿樁基埋深作用三角形荷載，穩(wěn)定土層分界線之下作用土彈簧;

模式三:樁基處于塌陷區(qū)之外，地面線以下沿樁基埋深作用三角形荷載，穩(wěn)定土層分界線之下作用土彈簧。

三種計算模式均以塌陷后樁頂偏位值為目標(biāo)推算樁身最不利內(nèi)力，對其受力性能及后續(xù)可使用性作出初步判斷?？紤]回填糾偏亦是對偏位樁基施加單向土壓力，回填后偏位樁基的受力計算仍按上述假定及分類進(jìn)行受力分析。

4 計算模型

結(jié)構(gòu)計算采用大型通用有限元程序ANSYS進(jìn)行。對于承臺未施工的各樁，按單樁建立結(jié)構(gòu)模型;對于承臺已施工的情況，則建立由樁和承臺共同受力的的框架結(jié)構(gòu)模型，如圖4所示。樁基和承臺均采用梁單元BEAM44，截面尺寸按實際構(gòu)造取值。土彈簧采用彈簧單元COMBIN14，彈簧剛度k值按“m法”換算。

根據(jù)塌陷區(qū)的影響范圍，目前已施工的1#～15#橋墩共計有50根樁(10根樁尚未施工)，按照上述分類原則，各樁采用計算模式如下:

模式一:4#墩 AB樁、5#墩 A樁;

模式二:3#墩 ABCD 樁、4#墩 CD 樁、5#墩 CD 樁、6#墩AB樁和7#墩AB樁;

圖4 結(jié)構(gòu)計算模型示意

模式三:1#墩 ABCD樁、2#墩 BCD樁、6#墩 CD樁、7#墩 CD 樁、8#墩 ABCD 樁、9#墩 ABCD 樁、10#墩 ACD樁、11#墩 D 樁、12#墩 ABCD 樁、13#墩 ABCD 樁、14#墩ACD樁和15#墩 B樁。

5 計算結(jié)論

根據(jù)前述結(jié)構(gòu)計算模式，樁身典型彎矩分布如圖5所示。

圖5 樁身典型彎矩分布(單位:kN·m)

綜合塌陷后、回填后以及運營階段(運營階段引起樁身最大內(nèi)力與偏位引起的樁身最大內(nèi)力不在同一位置)結(jié)構(gòu)受力分析的結(jié)果，將本次受塌陷影響的50根樁基的受力狀態(tài)分為三類:

1)塌陷及回填對樁身受力影響較小，樁基可有條件利用，包括1#ABCD、2#BCD、8#A、9#BC、12#CD 和13#A樁，共13根。

2)塌陷及回填對樁身受力影響較大，樁基繼續(xù)利用的可能性較小，包括 3#ABCD、4#AB、5#ACD、6#ABCD、7#AB、9#D、11#D、13#C、14#ACD 和 15#B 樁，共 22 根。

3)樁身受力狀況尚不明確，有待進(jìn)一步調(diào)查，包括4#CD、7#CD、8#BCD、9#A、10#ACD、12#AB 和 13#BD 樁，共15根。經(jīng)專家會論證，此部分樁基最終將繼續(xù)使用。

6 結(jié)語

經(jīng)比較，采用本文假定的塌陷區(qū)樁基計算模型，樁基偏位后的受力計算結(jié)果與設(shè)計單位采用包絡(luò)方法的計算結(jié)論基本一致，專家會決定上述樁基的處理方案按計算結(jié)論和意見執(zhí)行。若偏位樁基全部重新加樁，需增加工程造價約630萬元左右(φ160 cm樁基加樁單價按5 900元/m估算)，且工期無法滿足通車要求。

由于兩種方法均以樁基偏位測量值為已知參數(shù)推算樁身受力，因此樁身偏位測量值的準(zhǔn)確性(施工單位提供的偏位值均由結(jié)構(gòu)物偏位后坐標(biāo)與設(shè)計坐標(biāo)比較得出)對計算結(jié)果有著至關(guān)重要的作用。此外，上述計算結(jié)論目前難以采用有效的方法(超聲波、小應(yīng)變及鉆孔取芯等方法均進(jìn)行了嘗試)進(jìn)行驗證，這將是塌陷區(qū)樁基檢測的一個新課題。

［1］中華人民共和國交通部，JTG D63—2007 公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［2］中華人民共和國交通部，JTG D60—2004 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］中華人民共和國交通部，JTG D62—2004 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1994.

［5］姚連凱.客運專線橋梁基礎(chǔ)沉降計算和分析［J］.鐵道建筑，2007(12):13-15.