基于abaqus的水泥攪拌樁處理軟土地基中的跳車問題研究

基于abaqus的水泥攪拌樁處理軟土地基中的跳車問題研究

0要注意防止橋墩跳車現(xiàn)象改革開放后，中國經濟快速發(fā)展，公路運輸的發(fā)展也蓬勃發(fā)展。特別是近年來，在國家基礎設施不斷增強的背景下，國家交通、橋梁等項目的建設也大幅發(fā)展。當汽車行駛至路橋銜接段時,經常會出現(xiàn)被猛烈震起或突然下落一段的現(xiàn)象,在軟土地區(qū)往往更為明顯,被稱之為橋頭跳車現(xiàn)象。產生橋頭跳車現(xiàn)象的主因是外部荷載長期反復作用使橋臺與道路間產生過大的差異沉降變形。橋臺構筑物相對于路堤為剛性,沉降較小,而柔性路堤沉降較大,當二者差異沉降變形超過一定數值時橋頭跳車現(xiàn)象便會相當明顯導致影響正常行車。另外據美國對橋頭跳車的研究分析,產生橋頭跳車還與以下因素有關:(1)交通負荷過大;(2)排水不暢;(3)施工控制不利;(4)填筑材料選用不當;(5)沖刷造成填土流失;(6)接縫質量差;(7)氣溫的變化(尤其是整體式橋臺)。通過地基處理可減小路橋銜接處差異沉降,但在處理路段與未處理路段銜接處,又可能產生新的沉降突變,即“二次跳車”。緩解橋頭跳車現(xiàn)象已成為中國路橋建設需要考慮的重要一環(huán)。橋頭和路堤連接處沉降高差達到1cm以上就會使行車時產生明顯不適,根據實地觀察和有關資料調查表明,當橋頭臺階達1.5cm時,對車速就產生明顯的影響,臺階每增加1cm,速度就會降低3km/h左右;而當臺階高達5cm時,車輛行駛顯著減速,其減速幅度平均可達9~13km/h,對行車產生嚴重影響。此外,橋頭跳車現(xiàn)象的產生也會對車輛本身及路面和橋涵結構產生較大的沖擊和破壞,對構造物的不斷的維修養(yǎng)護不僅浪費了大量社會資源,而且也會產生不良的社會影響,影響正常社會秩序(見圖1)。因此,在道橋設計施工中,必須采取措施避免出現(xiàn)明顯橋頭跳車現(xiàn)象。本文通過對實際工程水泥攪拌樁法處理方案進行數值模擬,探討樁土置換率與樁長選取標準對水泥攪拌樁法處理跳車現(xiàn)象效果的影響。1地基加固方法工程實踐中,為了減少差異沉降,傳統(tǒng)的做法是:(1)在接坡段設鋼筋混凝土連接搭板;(2)對瀝青混凝土路面鋪裝進行加鋪維修;(3)采取切短樁頭的辦法重建構筑物等。在歐美以土工合成材料與混凝土樁聯(lián)合作用來緩解差異沉降。國內常用的處理方法有以下4種。1)換填法其原理即是將原有地基軟土挖走,換填合適材料并對其壓實以增加地基承載力,減小地基沉降量。實際中往往在軟弱地基上鋪設墊層作為人工填筑的持力層并將壓力擴散至下臥軟土層,以達到更好的處理效果。2)預壓法由于軟土地基在荷載作用下內部孔隙水逐漸排出導致孔隙體積不斷減小,引起地基發(fā)生固結變形、土的有效應力增加以及地基強度逐步增強。據此,可采用塑料排水板堆載預壓法、袋裝砂井堆載預壓法、真空聯(lián)合堆載預壓法對地基軟土進行加固。(1)塑料排水板堆載法:就是將塑料排水板插入淤泥層內并在排水板頂部鋪設布置有孔管道網且有一定橫坡度的砂墊層,之后堆載填土使孔隙水沿管道網排放到路堤外側,從而使軟基固結。(2)袋裝砂井堆載預壓法:即在軟土地基內設置砂井以便孔隙水排放,使軟基固結。(3)真空聯(lián)合堆載預壓:該方法原理相當于超載,使軟土基礎內產生負壓,導致軟基發(fā)生側向收縮,在填土時不會或很少發(fā)生地基側向擠出,因此填土率不受限制,從而地基穩(wěn)定性得到很好控制,填土完成后地基除受路堤荷載外還受到相當于幾米高填土的真空超載作用,縮短了固結期。3)土工格柵法該方法是在地基上加鋪一層土工格柵,利用其對軟基進行加固,增加穩(wěn)定性。土工格柵是一層加筋層,可增強基底強度,同時能將格柵上面土體作用荷載均勻擴散到整個加筋土層面上,減小單位土體面所受荷載,加強路基整體穩(wěn)定性,防止路基產生裂紋時輻射到路面面層。4)樁法通常包括砂樁法、混凝土注漿加固法、水泥攪拌樁法等方法。(1)砂樁法:該方法是利用粒料樁對地基土起置換作用、豎向排水作用和擠密作用,加固深度可達30m。(2)混凝土注漿加固法:該方法即在產生跳車的橋頭50~70cm范圍內打間距在1.5~2.0m的梅花式樁孔,之后采用高分子聚合物加拌水泥制成漿液并注入孔內,從而增加土質強度和地基承載力,減小沉降量。(3)水泥攪拌樁法:該方法十分適合用于加固黏性土或粉土地基,處理后的地基屬于柔性樁復合地基。它是利用水泥或水泥系材料作為固化劑,通過特別的深層攪拌機械,在地基深處就地將原位土與固化劑強制攪拌,使固化劑與軟土之間產生一系列的物理-化學作用,使軟土硬結成水泥土圓柱體,使樁周土得到部分改善,形成抗壓強度比天然土強度高得多并具有整體性、水穩(wěn)性和一定強度的水泥加固土體,承擔上部結構物荷載。該法又稱為CDM工法,在高速公路與橋梁的基礎處理中得到廣泛應用。多年的工程實踐表明,水泥攪拌樁法具有設備簡單,建設速度快、施工噪聲小、所需投資少和抗水平擠壓效應好等優(yōu)點,理論上具有廣闊的前景。本文即對此種方法進行了數值仿真分析。2工程實例分析2.1衛(wèi)津河上跨河流廊道本文選取天津市快速路紫金山路立交工程進行數值模擬。該工程位于天津市黑牛城道與紫金山路交叉口位置,處于東南半環(huán)的友誼路和衛(wèi)津南路之間,西起環(huán)湖東路,向西與衛(wèi)津南路互通立交相接,東至賓館西路,與友誼路分離式立交相接,全長約1.25km,將沿河西區(qū)黑牛城道跨越衛(wèi)津河。主橋上部結構采用變截面鋼-混疊合梁,下部結構采用花瓶式墩柱,基礎采用鉆孔灌注樁基礎。根據巖土工程勘察報告,按地層成因主要分為以下8層:(1)人工填土層;(2)第Ⅰ陸相層;(3)第Ⅰ海相層;(4)第Ⅱ陸相層;(5)第Ⅲ陸相層;(6)第Ⅳ陸相層;(7)第Ⅲ海相層;(8)第Ⅴ陸相層。各層可進一步分為物理力學性質不同的若干分層。各土層物理力學參數如表1所示。場區(qū)淺層地下水屬第四系潛水,地下水主要受大氣降水及衛(wèi)津河滲流補給并以蒸發(fā)等方式排泄,靜止地下水位埋深為0.60~2.12m,軟土地基沉降較大,路堤整體穩(wěn)定性較差,對工程十分不利,因此擬采用水泥攪拌樁法對地基進行加固處理,以最大程度緩解橋頭跳車現(xiàn)象。2.2模型材料的選用及計算參數的確定實際工程建設中雖然能夠通過開展現(xiàn)場檢測對工程沉降變形進行直觀了解與記錄,但對各層土體受力與沉降情況無法得到直觀認識,在工程設計階段需要對地基處理的效果進行分析預測,因此有必要借助相關有限元分析軟件,開展數值模擬從而優(yōu)化地基處理方案,實現(xiàn)緩解跳車的目的。本文應用ABAQUS軟件對快速路紫金山路立交工程中采用水泥攪拌樁進行橋頭地基處理避免出現(xiàn)明顯橋頭跳車現(xiàn)象進行數值仿真分析。ABAQUS大型有限元分析軟件是美國HKS公司開發(fā)的一款有限元程序系統(tǒng),其解決的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的線性問題,尤其在處理土體和巖石等地質材料方面功能強大。本文采用2D平面模型對工程進行建模分析。平面模型中,采用Mohr-Coulomb模型對土層塑性進行模擬。Mohr-Coulomb塑性模型在ABAQUS中通過命令*MOHRCOULOMB和*MOHRCOULOMBHARNDENING完成功能定義。該模型可用于模擬單調荷載作用下巖土工程領域的設計。Mohr-Coulomb模型的屈服面方程為:式中:p———等效壓應力;q———Mises等效應力。傳統(tǒng)的Mohr-Coulomb模型的屈服面存在的尖頂導致塑性流動方向不唯一,導致數值計算的繁瑣和收斂緩慢。為了避免這些問題,ABAQUS提供的MohrCoulomb模型選取連續(xù)光滑的流動勢函數(MenereyPhetc.1995),其形狀在子午面上是雙曲線,在π平面上是橢圓,如圖2所示。該模型的主要計算參數包括:密度、楊氏模量、黏聚力、內摩擦角。分析中各個土層的上述物理、力學指標依據工程勘察報告確定,如表1所示。雜填土工程性質不佳,建模時與第Ⅰ陸相層合并考慮。由于擠土作用的存在,處理區(qū)域內考慮土層強度的提高。模擬分析中選取典型斷面進行計算。其中橋臺長度4.0m,下設雙排鉆孔灌注樁,樁徑為1.2m,樁長53.0m;路面結構自上而下分別為:0.3m混凝土道面,0.3m水泥碎石穩(wěn)定層,1.4m永久墊層。水泥攪拌樁處理段總長約13.0m,水泥樁樁徑為0.5m,采用不等長布樁方式,其中最長樁13.0m,最短1.0m。樁土間設接觸單元,接觸方式采用tie連接。計算范圍為寬度40m,深度140m,可消除土體邊界效應對模擬結果的影響。在將三維問題轉化為平面問題進行模擬的過程中,需將計算樁的等效模量。根據相關文獻,可知,當樁徑為0.5m時,等效樁體模量為:式中:Ep———樁的彈性模量;在模擬分析中,當樁間距發(fā)生改變時,需按式(2)重新計算樁的等效模量。按照上述方法分別建立道橋銜接處橋梁、鉆孔灌注樁模型(見圖3a)與道路段水泥攪拌樁模型(見圖3b),網格劃分后計算單元共計75000個。2.3計算道路差異沉降的方法首先模擬道路下地基未經加固處理的情況,研究橋梁與路面產生的差異沉降大小,分析跳車現(xiàn)象出現(xiàn)的可能。2.3.1橋臺表面沉降位移依據橋梁設計規(guī)范施加荷載,沉降計算結果如表2所示。其中l(wèi)b為沉降數據來源點與橋臺模型左端距離,s為橋臺沉降值。計算所得結果如圖4,5所示。由圖4,5和表2可以看出,鉆孔灌注樁端處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象,樁基承擔上部荷載減小橋梁沉降效果明顯;橋臺表面最大沉降位移出現(xiàn)于橋臺左右兩端處,最大沉降量為77.4945mm;各土層沉降位移由下至上逐漸增大,同一土層越靠近鉆孔灌注樁則沉降位移越大。鉆孔灌注樁附近位移沉降云圖呈倒錐形分布。2.3.2道路中部沉降云圖依據橋梁設計規(guī)范施加荷載,沉降位移云圖如圖6所示。由圖6可以看出,沉降云圖大致呈半圓形分布,道路中部沉降最大,靠近邊界處沉降較小,在道路無限延伸時可認為中部沉降即為道路最終沉降值。由計算可知,若不采取地基處理措施,道路最終沉降位移可達13.7779cm。2.3.3橋梁與道路銜接處差異沉降嚴重根據以上計算結果,若不對道路地基進行處理,橋梁與道路銜接處差異沉降可達6cm,遠遠超出容許差異沉降值,會出現(xiàn)嚴重的橋頭跳車現(xiàn)象,給道路橋梁的正常造成不良影響,成為行車安全的隱患。3不同地基處理方案的效果分析擬采用水泥攪拌樁法對道橋銜接處路基進行處理?？紤]到不同的設計參數會導致不同的地基處理效果,以下對設計中的重要參數:置換率與樁長進行研究,分析不同地基處理方案的效果。3.1基地基礎中各點沉降位移樁土面積置換率m是影響復合地基承載能力的重要指標。根據相關規(guī)范,樁土面積置換率m可按公式(3)計算:式中:dp———樁身平均直徑(m);de———每根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑;等邊三角形布樁de=1.05d;正方形布樁de=1.13d;式中d為樁間距。模擬正方形布樁形式,對道橋銜接處道路地基處理段建立水泥攪拌樁有限元分析模型進行數值模擬。樁距d分別取為0.75,1.00,1.20,2.00m,各模型對應的樁土面積置換率如表3所示。對模型網格進行精細劃分后,計算機可對數據進行精確計算,得出所需結果。根據相關規(guī)范于模型道路表面施加荷載后,可計算得出不同樁距情況下道路表面各點沉降位移數值如表4,其中l(wèi)為沉降點距橋端距離。d=0.75m,d=1.20m地基中剪應力及沉降位移云圖分別如圖7a,7b,圖8a,8b所示。由圖7,8及表4可以看出,由于水泥攪拌樁存在,上部荷載由水泥攪拌樁分擔,樁端應力集中現(xiàn)象明顯,道路沉降值明顯減少,其中左端由于水泥攪拌樁長度較大,故沉降值減小幅度較大,右端水泥攪拌樁長度較小,故沉降值減小幅度較小?？傮w沉降值由左至右不斷增大,路面沉降呈連續(xù)變化的坡狀分布。不同置換率地基處理方案的道橋連接處差異沉降值(sb-r)如表5所示。差異沉降曲線如圖9所示。由表5及圖9可以看出,增大樁土面積置換率可以有效減小道橋銜接處的差異沉降,緩解橋頭跳車現(xiàn)象。同時應注意到,改變置換率這一方法生成的差異沉降曲線存在拐點,可認為該拐點存在于d=1.2m和d=1.0m之間,即位于置換率13.6%與19.6%之間。當置換率大于19.6%后,繼續(xù)提高置換率對減少差異沉降的作用效率降低。本工程采用樁間距2.0m,置換率為4.9%時,也可滿足控制道橋銜接處差異沉降小于限值的需求。選擇處理方案時應綜合考慮各方面因素進行選擇。路基處理段與路基未處理段銜接處若存在過大沉降差異則也會出現(xiàn)跳車現(xiàn)象,即二次跳車。據相關文獻,可認為位于處理段最右排樁右側1m處為處理段結束處,各模型對應差異沉降值如表6所示,其中sr為兩路段銜接處差異沉降值。由表6可知,置換率不同的4個模型在路段銜接處差異沉降值均小于1cm,均可滿足緩解二次跳車的需求。3.2道橋銜接處變形特征分析除置換率之外,水泥攪拌樁長度的不同也可能對處理效果產生影響。因此,對樁間距2m模型中水泥攪拌樁長度進行修改,保持樁間距不變,相鄰各樁長度差為2m,據橋梁設計規(guī)范施加荷載對沉降值進行有限元模擬計算。修改后各模型最大樁長分別為12.5,13,14,15m,路基處理路段起始處與結束處各模型沉降值與差異沉降值如表7所示。道橋