轻型空箱围堤对邻近桥梁桩基影响分析

沈 君,伍丽燕

(浙江省海盐经济开发区管委会,浙江 海盐 314300)

0 引 言

在建设或运行过程中,经常会遇到围堤或堆载对邻近重要建(构)筑物(如大桥、工业厂房等)桩基础产生影响的问题,国内有较多的描述[1-2],主要表现为侧向推力和轴向负摩阻力.为减少侧向推力和负摩阻力,除采用地基处理手段加固上层软土降低土体沉降和水平位移外,最为有效的方法就是采用桩筏基础将上部堆载或围堤荷载传递到深层较硬的土层.这种采用桩筏基础作为基础的围堤或堆载,称之为桩承式围堤.

在嘉兴港海盐港区围堤与杭州湾跨海大桥的穿越段,为了降低海盐港区围堤对杭州湾跨海大桥桩基的影响,就使用了桩承式围堤.

围堤主体采用土石混合式结构,堤顶宽度7.0 m,堤顶高程8.2 m,其它尺寸见图1.

图1 主围堤断面

根据规划,拟建围堤在北引桥A44和A45桥墩间穿越杭州湾跨海大桥.A44和A45桥墩均采用图2所示桩基础,1#桩离围堤边缘最近.如仍采用主围堤结构,由于大桥桩基为嵌岩桩,围堤必然引起桥梁桩基较大的负摩阻力和水平推力作用.根据分析比较,穿越段采用桩承式围堤,见图3.整个穿越段由6个分离式桩筏基础组成,每个基础由15根长30m、直径800mm的钢筋混凝土桩以及长15 m,宽11.6 m、厚0.8m的筏板组成,见图4.各筏板间设置施工缝.堤边缘距大桥桩基中心线15 m,顶面高程为8.7 m.考虑防渗要求,在桩筏基础外侧采用水泥土搅拌桩进行地基加固.

图2 杭州湾跨海大桥北引桥A44和A45桥墩桩基础

图3 嘉兴港海盐港区大桥穿越段桩承式围堤

本文对穿越段桩承式围堤和主围堤对杭州湾跨海大桥桩基的影响进行理论分析1)吴兴龙,沈 君.嘉兴港海盐港区围涂工程与杭州湾大桥交叉工程影响与工程方案设计[R],2005.,重点评估负摩阻力和侧向推力,从而为该工程的设计提供依据.

1 负摩阻力与侧向推力确定

负摩阻力是由于桩周土体沉降大于桩本身的沉降而产生向下的下拉荷载.由于桥梁桩基为嵌岩桩,沉降较小(主要由桩本身的压缩引起).因此通过计算大桥基桩附近土体的沉降可判定负摩阻力是否存在.而土体沉降计算与计算点处的应力有关.根据《建筑地基基础规范》(GB50007-2002)[3],如果某点的竖向附加应力 σz小于自重应力σs的10%,认为该点处土体不发生压缩变形.因此,通过计算地基附加应力和自重应力,比较附加应力与自重应力的比值(σz/σs)即可判定负摩阻力.

在确定了群桩中各基桩桩顶承担荷载Pi和桩端、桩身分布荷载后,由于主围堤离桥梁桩基较远,由地面荷载引起地基中某点的弹性应力解答可由Bousinesq解计算[4],而由桩基分布荷载(桩身和桩端荷载)引起的应力可采用Geddes弹性应力解答确定[4].

对于侧向推力问题,由于采用桩承式围堤,围堤荷载全部由桩基承担,土体承担的荷载较小,不会发生侧向滑动破坏,此时侧向推力不再由土体滑动引起,而是由桩基传递的荷载和主围堤引起.由于主围堤离桥梁桩基较远,由此引起地基中某点的弹性应力解答可由Boussinesq解计算,而由桩基分布荷载引起的应力可由Mindlin应力解确定.

对于侧向推力问题,由于采用桩承式围堤,围堤荷载全部由桩基承担,土体承担的荷载较小,不会发生侧向滑动破坏,此时侧向推力不再由土体滑动引起,而是由桩基传递的荷载和主围堤引起.由于主围堤离桥梁桩基较远,由此引起地基中某点的弹性应力解答可由Boussinesq解计算,而由桩基分布荷载引起的应力可由Mindlin应力解确定.

由于1#桩离围堤距离最小,下面仅讨论桩承式围堤和主围堤对1#桩产生的附加应力,从而评价负摩阻力和水平推力.分析步骤如下:

(1)采用围堤桩筏基础分析方法计算桩筏基础沉降与群桩中各桩承担的桩顶荷载,以及荷载沿深度分布;

(2)采用Mindlin应力解答,计算1#桩处由桩承式围堤引起的竖向应力和侧向应力;

(3)采用Boussinesq应力解答,计算1#桩处由主围堤、大桥段围堤和主围堤间过渡段引起的竖向应力和侧向应力,并与(2)的计算结果叠加得到总附加竖向应力和侧向应力;

(4)比较1#桩处地基竖向附加应力和自重应力,分析负摩阻力;

(5)根据1#桩处地基侧向附加应力和自重应力,计算侧向推力(侧向地基附加应力乘以作用面积).

2 桩顶沉降与荷载分担比

根据地质勘察报告,土体组成和性质指标,见表1.

由于桩长为30 m,则桩端持力层为第7层粉质黏土.由于缺乏现场桩基试验资料,根据土层性质和物理力学指标以及《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)[5],选取桩侧极限摩阻力和桩端极限阻力如表1.根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94),取β=0,由此计算得单桩承载力为1192.8 kN,端阻比α为0.12.因此对于任意基桩,设承担总荷载为Pi,桩端荷载为0.12 Pi,桩侧线性增长线荷载总和为0.88 Pi.各桩承担总荷载 Pi计算过程和结果如下.

桩和筏板混凝土标号为C30,容重25 kN/m3,弹性模量取30 GPa,泊松比取0.17.假设每个桩筏基础间不发生相互影响,由桩承式围堤桩筏基础分析方法计算得每个桩筏基础中各桩承担的荷载大小,见图4.各桩承担的荷载大小为803.5～1667.8 kN,沉降为22.4～46.8 mm.

图4 桩筏基础中各桩沉降及桩顶分担荷载

表1 土体性质指标与计算参数

同时,由于使用桩承式围堤的目的在于消除围堤对邻近大桥桩基产生过大负摩阻力和侧向推力的作用,此时地基土体可承担一部分围堤荷载,从而提高承载力安全度.这样既不会导致桩基承载力过小(或相应的地基土体承担的荷载过大而发生破坏),另一方面又使桩承式围堤能够产生较大的沉降,降低大桥段围堤与主围堤之间过大的差异沉降.

3 数值模拟分析

为了能得到比较准确的计算结果,本文还对桩承式围堤对邻近大桥桩基的影响进行了三维弹性和弹塑性数值模拟.通过三维数值分析,可直接确定大桥桩基应力沿深度的分布,从而得到负摩阻力和侧向应力,以及下拉荷载和侧向推力.

在弹性模型中土体和桩基都采用Hooke弹性应力应变关系,围堤简化为地面荷载,荷载大小为堆载高度乘以重度(假定为18 kN/m3).

考虑结构的对称性,建立1/4分析模型,见图5.

图5 整体模型的三维数值分析网格

4 简化方法与数值分析结果的比较

图6为大桥桥墩桩基的负摩阻力沿深度变化曲线.由于大桥桥墩桩基为嵌岩桩,在数值模拟中必然会出现负摩阻力.由图6的负摩阻力分布可见,最大负摩阻力仅为10.2 kPa.

图6 负摩阻力沿深度分布

通过比较大桥段围堤基桩沉降、桩顶分担荷载的沉降,可以发现:

(1)两种弹性分析计算得到的围堤沉降和桩顶荷载比较一致,弹性应力解答得到的桩顶沉降和桩顶分担荷载稍小于弹性分析结果.

(2)比较各桩承担的总荷载和桩顶上围堤施加的总荷载表明,桩承式围堤的荷载主要由桩基承担,围堤荷载通过桩基传递到深部土层,从而能降低围堤堆载对邻近桥梁桩基的影响.

因此,采用三维弹性模拟可用于分析大桥段围堤对大桥桩基的影响.弹性应力解答可用于确定大桥桩基的负摩阻力效应,由于弹性应力解答不能考虑桩基的影响,很难准确确定围堤对大桥桩基的侧向推力.

下面根据弹塑性和弹性分析结果,讨论围堤对大桥桩基的影响.

4.1 负摩阻力影响分析

(1)由两种方法得到1#桩桩周土体最大附加竖向应力/自重应力分别为7%和9%,都小于10%,因此沿大桥基桩长度内,土体沉降和负摩阻力可忽略.

(2)由于假定大桥桩基为嵌岩桩,计算分析必定会出现负摩阻力.不过,由负摩阻力分布可见,最大负摩阻力仅为10.2 kPa,因此对大桥桩基的影响甚微.

(3)由弹塑性和弹性数值分析表明,1#桩的桩顶沉降分别为1.9和1.2 mm,沉降非常小,这也表明作用在1#桩上的负摩阻力可忽略不计.

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因此,由围堤对大桥桩基引起的负摩阻力可忽略.

4.2 侧向推力影响分析

图7～图9为大桥桥墩桩基的侧向应力沿深度分布曲线.图6表明,由两种方法得到大桥桥墩1#桩桩周土体最大附加侧向应力比较吻合.总的来看,弹塑性分析中侧向应力在上部较大,在下部较小.

图7 1#桩侧向应力沿深度分布

图8 1#桩σx沿深度分布

图9 1#桩σy沿深度分布

图8、图9表明,弹塑性分析结果与较大β值对应的侧向应力比较一致,而弹性分析结果与较小 β值对应的侧向应力一致.因此在工作荷载条件下,较大β值或采用弹塑性分析得到的侧向应力较准确.

x和y方向最大侧向应力分别为66.1 kPa和64.7 kPa,发生深度在17～32 m范围内.由于在3 d(d为桩径),即约6 m深度以下的土体抗力较大,如黏土抗力可达到9 Su(其中Su为黏土的不排水剪强度).因此相对于土体极限抗力而言,推力很小.

由于推力相对于土体极限抗力很小,大桥桥墩1#桩x方向的最大侧向变形仅为15 mm(约0.75%d),y方向的最大侧向变形仅为6 mm(0.3%d),远小于侧向受荷桩的允许变形(5%～10%)d,并且发生深度在17～32 m范围内,对大桥运营影响有限.值得说明的是,尽管y方向一侧的侧向应力比x方向大,但由于主围堤沿桩轴线对称分布,两侧主围堤引起y方向的应力互相抵消,导致y方向变形和弯矩较小.

5 结 论

本文采用桩承式围堤桩筏基础的简化分析方法,对嘉兴港海盐港区围堤与杭州湾跨海大桥的穿越段桩筏基础进行了理论分析,并采用三维弹性数值方法模拟了嘉兴港海盐港区围堤对杭州湾跨海大桥产生的负摩阻力和侧向推力.通过上述3种方法的分析比较,结果表明:

(1)桩承式围堤通过降低围堤或地面堆载等荷载条件,并使得围堤的荷载主要由桩基承担,围堤荷载通过桩基传递到深部土层,从而能有效降低围堤堆载对邻近桥梁桩基的影响.

(2)在负摩阻力影响分析上,两种分析方法得到的大桥桥墩1#桩桩周土体最大附加竖向应力/自重应力分别为7%和9%,均小于10%,因此可认为沿大桥基桩长度内,土体沉降和负摩阻力可忽略.

(3)两种分析方法计算得到的大桥桥墩1#桩桩周土体最大附加侧向应力比较吻合.弹塑性分析结果与较大β值对应的侧向应力比较一致,而弹性分析结果与较小β值对应的侧向应力一致.因此在工作荷载条件下,较大 β值或采用弹塑性分析得到的侧向应力较准确.

(4)本文采用的简化分析方法与弹性和弹塑性三维数值模拟结果吻合较好,可作为桩承式围堤结构基础的分析和设计方法.计算成果可为工程设计提供理论的指导,作为类似工程的参考分析.

[1]杨 敏,朱碧堂,陈福全.堆载引起某厂房坍塌事故的初步分析[J],岩土工程学报,2002(7):446-450.

[2]朱碧堂,吴兴龙,杨 敏,等,桩承式围堤对邻近桥梁桩基的影响[J],岩土工程学报,2007(7):1009-1017.

[3]中华人共和国建设部.GB50007-2002建筑地基基础设计规范[S].北京:中华人共和国建设部,2002.

[4]POULOS H G,DAVIS E H.Elastic solutions for soil and rock mechanics[M].John Wiley and Sons,Inc.,New York,1973.

[5]中国建筑科学研究院.JGJ94-94建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,1995.