仪孟斐

(山西交通控股集团有限公司运城南高速公路分公司 运城市 044000)

0 引言

在特大桥施工过程中,为控制工后沉降,必须确保桩基础具有足够的承载力。在软弱地基土层较厚的施工区域[1],钻孔灌注桩基础是比较常用的一种基础形式。大型桥梁上部结构自重大[2],对桩基础所产生的竖向荷载也较大,对桩基础竖向承载力的要求也随之提高。钻孔灌注桩基础具有良好的适用性[3],但地下作业施工工序繁杂、尤其是大型桥梁的技术要求高、施工难度大,属隐蔽工程质量控制难度大,控制不当很容易产生质量问题。对桩基础所处施工区域地质条件复杂、变化大的施工区域,必须做好详细勘察,为桩基础设计提供有力依据。为确保桩基础承载力满足设计要求,施工现场常采用静载试验进行检测[4]。另外,利用有限元软件建立模型进行数值模拟分析,可用于指导现场施工。文章以某高速公路特大桥钻孔灌注桩基础施工为研究背景,分别采用静载试验和数值模拟分析两种方法对桩基础竖向承载力进行研究,将对比分析结果作为评价桩基础竖向承载力的基本依据。

1 工程概况

某高速公路特大桥,设计全长为1150 m,其中主跨长度为640 m。采用双向六车道设计,桥面全宽为33 m,行车速度为100 km/h,按照公路-Ⅰ级荷载设计。桥梁采用双塔双索面五跨连续半漂浮斜拉桥形式,桩基础采用钻孔灌注桩,桩径2.5 m,桩长为25～40 m。主桥11#墩桩基础所处施工区域地质情况较复杂,因此选择主桥11#墩桩基础作为研究对象,对桩基础竖向承载力进行研究。根据地质勘察报告,11#墩桩基础所处施工区域地基土自上而下分别为粉质黄土、粉质黏土、粉土、密实砂土、基岩,各层地基土主要工程特性如下:

(2)粉质黏土:呈灰黑色,硬塑性,层厚为5.2 m,主要以粘粒为主,层理清晰,土质分布均匀。

(3)粉土:呈灰黑色,层厚为4.9 m,主要以粉粒为主,中密,土质分布均匀。

(4)粉质黏土:呈灰黑色,中密,层厚为6.8 m,主要以粘粒为主,层理清晰,土质分布均匀。

(5)粗砂:呈黄绿色,层厚为4.9 m,主要以石英、长石为主,密实,砂质分布不均匀。

(6)细砂:呈灰黄色,主要以石英、长石为主,层厚为6.7 m,密实,砂质分布均匀。

根据地质勘察结果,确定11#墩钻孔灌注桩基础桩长为38 m,桩径为2.5 m。

2 单桩静载试验结果分析

2.1 单桩静载试验方案

根据11#墩桩基础所处施工区域土层分布情况埋设钢筋计,测试断面布置在各土层交界和距桩底50 cm处,当层厚较厚时,每隔5 m布置一个测试断面。11#墩桩基础共布置11个断面,每个断面对称布置两个钢筋计。试验设备包括液压千斤顶、百分表、千分表、液压油泵、电子位移计等。11#墩单桩设计承载力为4635 kN,静载试验最大试验荷载取值为10000 kN。千斤顶采用慢速维持加载法进行分级加载,单级加载量为1000 kN,第一级加载量为两倍。卸载分5级,单级卸载量为2000 kN。桩体成型10 d后开展试验,并在分级加载和卸载过程中进行沉降观测。

2.2 静载试验结果分析

2.2.1单桩竖向抗压容许承载力

2.1 1型糖尿病 1型糖尿病是一种自身免疫性疾病，与遗传、生活环境、肠道失调引起的免疫调节异常有关。早期对芬兰儿童的纵向研究发现，与低风险、胰岛自身抗体阴性的儿童相比，高风险、胰岛自身抗体阳性的儿童在临床疾病发展之前肠道细菌的多样性就已经发生改变[55-56]。美国的一项研究发现，新发病例、高危和低危一级亲属与健康、不相关的受试者的细菌组成存在差异[57]，主要表现为瘤胃球菌属、布劳特氏菌属以及链球菌过多，韦荣氏球菌科和毛螺菌群失调。这些数据表明，肠道微生物种群多样性减少和(或)代谢功能改变可能与1型糖尿病的进展相关。

通过在施工现场开展静载试验,收集11#墩试桩检测数据,绘制荷载Q-沉降s曲线如图1所示。

图1 试桩荷载Q-沉降s曲线

分析荷载Q-沉降s曲线,得出在加载阶段桩顶最大荷载为9.98 mm,卸载后回弹量为7.37 mm,回弹力很大。根据曲线变化趋势,试验荷载未达到试桩极限荷载。按照《建筑地基检测技术规范》(JGJ 340—2015)中的相关规定,当桩径D≥800mm时,取s=0.05D对应的荷载值,即沉降量s=0.05D=50 mm对应的荷载、加载荷载达到最大加载值10000 kN时,桩顶沉降量最大值为9.98 mm,远小于50 mm的要求,因此取10000 kN作为试桩的极限荷载容许值,该取值也达到了2倍的安全系数,说明试桩竖向承载力满足设计要求。

2.2.2桩身轴力

收集钢筋计检测结果,通过计算得到各级加载下试桩桩身轴力,整理数据绘制主要加载阶段试桩轴力分布曲线如图2所示。

图2 加载过程中试桩轴力分布曲线

在桩顶荷载作用下,桩身自身会产生一定幅度的弹性压缩变形,桩体也会产生一定的沉降变形。桩身沉降必须克服桩侧土体的摩阻力和桩端阻力,而桩周不同土层的土体对桩体产生的摩阻力不同。分析曲线变化趋势,得出在各级加载工况下,桩身轴力随深度变化趋势基本一致,且随加载荷载的增加桩身轴力也随之增加。桩身轴力曲线在深度8 m左右出现较大转折,在深度达到15 m以下曲线变化幅度较小,桩底位置桩身轴力较小。

3 单桩竖向承载力数值模拟分析

3.1 建立数值模拟分析模型

利用有限元软件对钻孔灌注桩单桩竖向承载力进行数值模拟,作以下假定:桩体为线弹性材料;岩土体为弹塑性材料,且为各向同性体;桩周土体影响范围为40D,影响深度为1.5倍桩长。按照上述钻孔灌注桩设计资料建立计算模型,由于桩体具有对称性,因此取1/4桩体模型作为研究对象,1/4桩体模型如图3所示。模型单元数量为12439个,节点数量为14215个,各层土体物理力学参数如表1所示。

表1 各层土体物理力学参数

图3 1/4桩体模型

3.2 数值模拟分析结果分析

通过有限元模拟加载过程,在加载值达到10000 kN后再增加两级加载,数值模拟分析取最大加载荷载为12000 kN。通过数值模拟计算得到各级荷载加载桩顶沉降量。结合现场静载试验结果,绘制荷载Q-沉降s对比分析曲线如图4所示。

图4 试桩荷载Q-沉降s曲线对比分析

将现场静载试验曲线与数值模拟分析曲线进行对比分析,得出各级试验荷载加载下累计沉降量检测值与数值模拟计算值十分接近,加载荷载达到10000 kN时实测值与计算值分别为9.98 mm和9.672 mm。由于数值模拟不受荷载限制,在试验荷载达到10000 kN后再增加两级加载,发现加载荷载达到10000 kN后Q-s曲线出现了明显拐点,因此选10000 kN作为桩基极限荷载是比较合理的,这与静载试验结果是一致的。另外,数值模拟计算得到的沉降值略低于静载试验现场检测结果,这是由于试桩模型建立过程中所选用的土体变形模量和摩擦系数偏大造成的,但二者相差不大,说明计算结果准确,可用于指导施工。

3.3 桩身轴力数值模拟

对桩身轴力进行数值模拟计算,整理数据绘制主要加载阶段沿桩深度方向桩身轴力的分布曲线如图5所示。

图5 试桩桩身轴力数值模拟分析图

分析曲线变化趋势,可以得出随深度增加桩身轴力并不是均匀下降的,这是由于不同土层土体对桩体所产生的摩阻力不同造成的。在各级荷载作用下,桩身轴力曲线变化趋势基本一致,均在深度8 m左右产生较大转折,随深度增加桩身轴力不断下降。当试验荷载达到12000 kN时,桩身轴力相对较大,这说明加载荷载超过10000 kN后桩侧阻力对轴力的影响降低,说明桩侧阻力达到了极限。另外,与图2静载试验现场实测桩身轴力曲线进行对比,实测值与数值模拟计算值相近,且变化趋势相同,说明数值模拟计算结果准确,可用于指导施工。

4 结语

以某高速公路特大桥钻孔灌注桩基础施工为研究背景,以地质条件较复杂的11#墩桩基础作为研究对象,在施工现场开展静载试验检验桩基础竖向承载力,并采用有限元软件进行数值模拟分析,分别对桩基竖向承载力和桩身轴力实测值和计算值进行对比分析,得出以下结论:

(1)静载试验得出试桩的极限荷载容许值10000 kN,达到了2倍的安全系数,满足桩基设计竖向承载力的要求;结合数值模拟分析结果,加载荷载超过10000 kN后Q-s曲线出现了明显拐点,因此选10000 kN作为桩基极限荷载容许值是比较合理的,且计算结果与静载试验结果十分接近,说明数值模拟计算准确。

(2)桩身轴力静载试验结果与数值模拟计算结果接近,且二者变化趋势一致,均在深度8 m左右产生较大转折;加载荷载达到12000 kN时桩身轴力相对较大,说明桩侧阻力对轴力的影响降低,进一步说明取10000 kN作为桩基极限荷载是合理的。

总之,通过对比分析静载试验与数值模拟计算结果,得出桩基竖向承载力满足设计要求,数值模拟分析计算结果准确,可用于指导现场施工。