劉 凱

（創(chuàng)輝達(dá)設(shè)計(jì)股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

在多年凍土區(qū)新建對(duì)沉降敏感度較高的橋梁時(shí)，樁基是首選的基礎(chǔ)類(lèi)型。為減少橋梁樁基受季節(jié)性?xún)鋈谕恋牟焕绊懀痘袢攵嗄陜鐾翆又?。此時(shí)，樁基的軸向承載力與樁的入土深度有關(guān)。當(dāng)多年凍土區(qū)的樁基承受軸向荷載時(shí)，設(shè)計(jì)一般忽略樁端反力的作用，僅由樁側(cè)正摩擦力來(lái)抵抗軸向荷載。

隨著全球氣候變暖，在人類(lèi)活動(dòng)的作用下，多年凍土出現(xiàn)退化現(xiàn)象，使得凍土層上限有下移的趨勢(shì)[1]?，F(xiàn)針對(duì)多年凍土區(qū)的橋梁工程，對(duì)不同凍土層上限位置下的樁基軸向承載性能進(jìn)行分析，探討多年凍土區(qū)的橋梁工程隨著凍土層上限下移，其樁基軸向承載性能的變化規(guī)律。

1 工程概況

青海某高速公路的一座雙幅中橋，全長(zhǎng)66 m，橋?qū)挘?×13）m，國(guó)道從橋下正交穿過(guò)，上部結(jié)構(gòu)為（3×20）m 預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)為肋板臺(tái)，承臺(tái)接4 根樁徑1 m 的樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)16 m，橋墩為柱式墩，墩徑1.2 m，樁徑1.4 m，樁長(zhǎng)23 m，入土深度22 m，樁身采用C30 混凝土，按摩擦樁設(shè)計(jì)，橋墩單樁樁頂設(shè)計(jì)荷載3 550kN，修正后的樁端土承載力特征值為345 kPa。表1 為各土層地質(zhì)情況一覽表。

表1 各土層地質(zhì)情況一覽表

2 分析方案

分析項(xiàng)目所在地多年凍土層厚度變化規(guī)律可知，在凍土層上限下方1.5 m 范圍內(nèi)，多年凍土易受氣候變暖和人類(lèi)活動(dòng)的影響融化成軟弱層。在外荷載作用下，常出現(xiàn)較大的壓縮變形，對(duì)附近橋梁樁基的軸向承載性能有一定的不利影響。據(jù)調(diào)查，項(xiàng)目沿線(xiàn)多年凍土層上限分布在1.5～4 m 之間，此橋位處的多年凍土層上限為1.5 m，在其它條件不變的前提下，按照上限下移0.5 m，1.5 m 和2.5 m，即凍土上限位置下降到2 m，3 m 和4 m 的方案進(jìn)行分析。

3 分析模型

采用ANSYS 建立單樁樁土實(shí)體模型，樁身、土體均采用SOLID45 單元，樁本構(gòu)模型為線(xiàn)彈性，土體本構(gòu)模型為D—P 材料，面—面接觸分析中的剛性目標(biāo)面為T(mén)ARGE170 單元，柔性接觸面為CONTA173 單元。因結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性，建立1/4 樁土模型進(jìn)行分析，模型中樁徑1.4 m，樁長(zhǎng)23 m，土體半徑3.5 m，土體厚度66 m，指定樁身表面為剛性目標(biāo)面，對(duì)應(yīng)的土體表面為柔性接觸面，將橋墩單樁樁頂設(shè)計(jì)荷載等效成均布荷載后與邊界條件一起施加在模型上。表2為混凝土樁的力學(xué)參數(shù)表，表3 為樁周士體的力學(xué)參數(shù)表，圖1 為其分析模型。

表2 混凝土樁的力學(xué)參數(shù)表

表3 樁周土體的力學(xué)參數(shù)表

圖1 分析模型

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 樁—土沉降量

根據(jù)凍土層上限下移方案，分別建立凍土層上限為1.5 m，2 m，3 m 和4 m 的樁土模型，施加邊界條件和均布荷載后，運(yùn)行模型得到不同凍土層上限位置下樁—土沉降量沿入土深度的變化圖（見(jiàn)圖2）。

從圖2 可知，隨著凍土層上限的下移，樁身頂部的沉降量逐漸增大，相應(yīng)頂部樁周土體的沉降量也逐漸增大。當(dāng)凍土層上限從1.5 m 下移至4 m 時(shí)，樁身頂部的沉降量從3.42 mm 增大到4.1 mm，相應(yīng)頂部樁周土體的沉降量從4.02 mm 增大到11.58 mm，樁身頂部的沉降增量遠(yuǎn)小于相應(yīng)頂部樁周土體的沉降增量，此時(shí)將在中性點(diǎn)以上位置的樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩擦力。根據(jù)中性點(diǎn)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[2]，理論中性點(diǎn)位置與地面的距離等于0.8 倍凍土層上限深度(反復(fù)凍融取大值)，當(dāng)凍土層上限從1.5 m 下移至4 m 時(shí)，中性點(diǎn)位置理論解從1.2 m 增加到3.2 m，增大了167%，數(shù)值解從1.2 m 增加到3.1 m，增大了158%，中性點(diǎn)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式得到的理論解偏大，在凍土層上限深度較大的地區(qū)使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算中性點(diǎn)位置偏安全。

圖2 不同凍土層上限位置下樁—土沉降量沿入土深度的變化曲線(xiàn)圖

當(dāng)凍土層上限位置不變時(shí)，樁自身沉降量沿入土深度的變化較小，相應(yīng)的樁周土體沉降量沿入土深度變化較大，在多年凍土地區(qū)橋梁樁基施工前，建議其設(shè)計(jì)在墩位附近填筑一定厚度的粗粒土，用機(jī)械碾壓密實(shí)，以減少頂部樁周土體的沉降量。

4.2 軸向應(yīng)力

運(yùn)行模型得到不同凍土層上限位置下樁身軸向應(yīng)力沿入土深度的變化圖（見(jiàn)圖3）。

從圖3 可知，不同凍土層上限位置下的樁基軸向應(yīng)力均沿入土深度先增大再減小，且軸向應(yīng)力最大值恒定在各凍土層上限位置下樁基的中性點(diǎn)位置處，當(dāng)凍土層上限從1.5 m 下移至4 m 時(shí)，樁基的最大軸向應(yīng)力從2.42 MPa 增加到2.56 MPa，增大了5.78%，這是因?yàn)閮鋈谕恋某两盗窟h(yuǎn)大于樁基的沉降量，在樁基中性點(diǎn)以上位置產(chǎn)生了向下的負(fù)摩擦力，負(fù)摩擦力直接作用在樁基上，使樁基的軸向應(yīng)力有所增大。樁基如果按端承樁設(shè)計(jì)且樁長(zhǎng)較短時(shí)，應(yīng)富?？紤]凍土地區(qū)凍土層上限下移產(chǎn)生的負(fù)摩擦力作用，避免凍土層融化后的軸向應(yīng)力過(guò)大，壓潰樁基混凝土。

圖3 不同凍土層上限位置下軸向應(yīng)力沿入土深度的變化曲線(xiàn)圖

同時(shí)，隨著凍土層上限位置的下移，樁基基底反力稍有增加，當(dāng)凍土層上限從1.5 m 下移至4 m 時(shí)，樁基的基底反力從65 kPa 增加到68 kPa，增加量較小，遠(yuǎn)小于修正后的樁端土承載力特征值，樁底土被刺入破壞的可能性較小，無(wú)需對(duì)樁底地基土進(jìn)行處理。

4.3 單樁軸向受壓承載力

通過(guò)圖3計(jì)算出單樁承受的最大軸向壓力，并與現(xiàn)行公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，得到不同凍土層上限位置下單樁軸向受壓承載力的變化圖（見(jiàn)圖4）。

圖4 不同凍土層上限位置下單樁軸向受壓承載力的變化曲線(xiàn)圖

從圖4 可知，隨著凍土層上限的下移，樁身最大軸向壓力逐漸變大，單樁軸向容許承載力的規(guī)范計(jì)算值和設(shè)計(jì)采用值均逐漸減小，當(dāng)凍土層上限從1.5 m下移至4 m 時(shí)，樁身最大軸向壓力從3 725.2 kN 增加到3 940.7 kN，增大了5.8%，而單樁軸向容許承載力的規(guī)范計(jì)算值從4 489.4 kN 減小到4 314.5 kN，降低了3.9%,設(shè)計(jì)采用值從3 958.3 kN 減小到3 783.5 kN，降低了4.4%。這是因?yàn)閮鐾翆由舷尴乱茖?dǎo)致樁側(cè)原本提供正摩擦力的土層轉(zhuǎn)為提供負(fù)摩擦力，增大了樁身軸向壓力，降低了單樁軸向容許承載力。

當(dāng)凍土層上限下移至3.2 m 時(shí)，樁身最大軸向壓力已達(dá)到單樁軸向容許承載力的設(shè)計(jì)采用值，此時(shí)應(yīng)對(duì)凍土層上限位置變化進(jìn)行分析評(píng)估監(jiān)測(cè)，判斷其是否還會(huì)繼續(xù)下移。如果凍土層上限位置已基本穩(wěn)定，可不采取相應(yīng)工程加固措施；如果凍土層上限位置仍存在下移的趨勢(shì)，應(yīng)對(duì)橋梁進(jìn)行限載或在改善樁側(cè)中性點(diǎn)位置以上部位的光滑度后置換粗顆粒土，減小負(fù)摩擦力作用。

因凍土動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定數(shù)據(jù)與溫度、含水量、圍壓和應(yīng)變幅等因素有關(guān)，且測(cè)定數(shù)據(jù)離散性較大[3]，設(shè)計(jì)時(shí)偏保守地選擇忽略樁端反力的作用，僅由樁側(cè)正摩擦力來(lái)抵抗軸向荷載，從橋梁建設(shè)的全生命周期管理來(lái)看，適當(dāng)?shù)臉痘休d能力富裕量在經(jīng)濟(jì)上是可行的且性?xún)r(jià)比極高。

5 結(jié)論

本文依托青海某高速公路上的一座中橋，在不同凍土層上限位置方案下對(duì)其樁基軸向承載性能進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)將模擬計(jì)算出的樁基軸向承載性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）采用樁土實(shí)體有限元分析模型，以面面接觸來(lái)模擬樁土間作用的方法是可行的。

（2）隨著凍土層上限的下移，中性點(diǎn)位置也逐漸下移，而樁身頂部與相應(yīng)頂部樁周土體的沉降量將逐漸增大，且相應(yīng)頂部樁周土體的沉降速率遠(yuǎn)大于樁身頂部的沉降速率。

（3）隨著凍土層上限的下移，樁身最大軸向壓力和樁側(cè)總負(fù)摩擦力逐漸增大，且樁身軸向壓力最大值恒定在中性點(diǎn)位置處。

（4）隨著凍土層上限的下移，樁基的軸向承載能力安全儲(chǔ)備逐漸降低，當(dāng)凍土層上限下移至一定位置后，樁基的軸向承載能力將不再滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，需對(duì)凍土層上限位置變化進(jìn)行分析評(píng)估監(jiān)測(cè)，確定是否需要采取相應(yīng)的工程加固措施。