基于abaqus的水泥搅拌桩处理软土地基中的跳车问题研究

基于abaqus的水泥搅拌桩处理软土地基中的跳车问题研究

0要注意防止桥墩跳车现象改革开放后，中国经济快速发展，公路运输的发展也蓬勃发展。特别是近年来，在国家基础设施不断增强的背景下，国家交通、桥梁等项目的建设也大幅发展。当汽车行驶至路桥衔接段时,经常会出现被猛烈震起或突然下落一段的现象,在软土地区往往更为明显,被称之为桥头跳车现象。产生桥头跳车现象的主因是外部荷载长期反复作用使桥台与道路间产生过大的差异沉降变形。桥台构筑物相对于路堤为刚性,沉降较小,而柔性路堤沉降较大,当二者差异沉降变形超过一定数值时桥头跳车现象便会相当明显导致影响正常行车。另外据美国对桥头跳车的研究分析,产生桥头跳车还与以下因素有关:(1)交通负荷过大;(2)排水不畅;(3)施工控制不利;(4)填筑材料选用不当;(5)冲刷造成填土流失;(6)接缝质量差;(7)气温的变化(尤其是整体式桥台)。通过地基处理可减小路桥衔接处差异沉降,但在处理路段与未处理路段衔接处,又可能产生新的沉降突变,即“二次跳车”。缓解桥头跳车现象已成为中国路桥建设需要考虑的重要一环。桥头和路堤连接处沉降高差达到1cm以上就会使行车时产生明显不适,根据实地观察和有关资料调查表明,当桥头台阶达1.5cm时,对车速就产生明显的影响,台阶每增加1cm,速度就会降低3km/h左右;而当台阶高达5cm时,车辆行驶显著减速,其减速幅度平均可达9~13km/h,对行车产生严重影响。此外,桥头跳车现象的产生也会对车辆本身及路面和桥涵结构产生较大的冲击和破坏,对构造物的不断的维修养护不仅浪费了大量社会资源,而且也会产生不良的社会影响,影响正常社会秩序(见图1)。因此,在道桥设计施工中,必须采取措施避免出现明显桥头跳车现象。本文通过对实际工程水泥搅拌桩法处理方案进行数值模拟,探讨桩土置换率与桩长选取标准对水泥搅拌桩法处理跳车现象效果的影响。1地基加固方法工程实践中,为了减少差异沉降,传统的做法是:(1)在接坡段设钢筋混凝土连接搭板;(2)对沥青混凝土路面铺装进行加铺维修;(3)采取切短桩头的办法重建构筑物等。在欧美以土工合成材料与混凝土桩联合作用来缓解差异沉降。国内常用的处理方法有以下4种。1)换填法其原理即是将原有地基软土挖走,换填合适材料并对其压实以增加地基承载力,减小地基沉降量。实际中往往在软弱地基上铺设垫层作为人工填筑的持力层并将压力扩散至下卧软土层,以达到更好的处理效果。2)预压法由于软土地基在荷载作用下内部孔隙水逐渐排出导致孔隙体积不断减小,引起地基发生固结变形、土的有效应力增加以及地基强度逐步增强。据此,可采用塑料排水板堆载预压法、袋装砂井堆载预压法、真空联合堆载预压法对地基软土进行加固。(1)塑料排水板堆载法:就是将塑料排水板插入淤泥层内并在排水板顶部铺设布置有孔管道网且有一定横坡度的砂垫层,之后堆载填土使孔隙水沿管道网排放到路堤外侧,从而使软基固结。(2)袋装砂井堆载预压法:即在软土地基内设置砂井以便孔隙水排放,使软基固结。(3)真空联合堆载预压:该方法原理相当于超载,使软土基础内产生负压,导致软基发生侧向收缩,在填土时不会或很少发生地基侧向挤出,因此填土率不受限制,从而地基稳定性得到很好控制,填土完成后地基除受路堤荷载外还受到相当于几米高填土的真空超载作用,缩短了固结期。3)土工格栅法该方法是在地基上加铺一层土工格栅,利用其对软基进行加固,增加稳定性。土工格栅是一层加筋层,可增强基底强度,同时能将格栅上面土体作用荷载均匀扩散到整个加筋土层面上,减小单位土体面所受荷载,加强路基整体稳定性,防止路基产生裂纹时辐射到路面面层。4)桩法通常包括砂桩法、混凝土注浆加固法、水泥搅拌桩法等方法。(1)砂桩法:该方法是利用粒料桩对地基土起置换作用、竖向排水作用和挤密作用,加固深度可达30m。(2)混凝土注浆加固法:该方法即在产生跳车的桥头50~70cm范围内打间距在1.5~2.0m的梅花式桩孔,之后采用高分子聚合物加拌水泥制成浆液并注入孔内,从而增加土质强度和地基承载力,减小沉降量。(3)水泥搅拌桩法:该方法十分适合用于加固黏性土或粉土地基,处理后的地基属于柔性桩复合地基。它是利用水泥或水泥系材料作为固化剂,通过特别的深层搅拌机械,在地基深处就地将原位土与固化剂强制搅拌,使固化剂与软土之间产生一系列的物理-化学作用,使软土硬结成水泥土圆柱体,使桩周土得到部分改善,形成抗压强度比天然土强度高得多并具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土体,承担上部结构物荷载。该法又称为CDM工法,在高速公路与桥梁的基础处理中得到广泛应用。多年的工程实践表明,水泥搅拌桩法具有设备简单,建设速度快、施工噪声小、所需投资少和抗水平挤压效应好等优点,理论上具有广阔的前景。本文即对此种方法进行了数值仿真分析。2工程实例分析2.1卫津河上跨河流廊道本文选取天津市快速路紫金山路立交工程进行数值模拟。该工程位于天津市黑牛城道与紫金山路交叉口位置,处于东南半环的友谊路和卫津南路之间,西起环湖东路,向西与卫津南路互通立交相接,东至宾馆西路,与友谊路分离式立交相接,全长约1.25km,将沿河西区黑牛城道跨越卫津河。主桥上部结构采用变截面钢-混叠合梁,下部结构采用花瓶式墩柱,基础采用钻孔灌注桩基础。根据岩土工程勘察报告,按地层成因主要分为以下8层:(1)人工填土层;(2)第Ⅰ陆相层;(3)第Ⅰ海相层;(4)第Ⅱ陆相层;(5)第Ⅲ陆相层;(6)第Ⅳ陆相层;(7)第Ⅲ海相层;(8)第Ⅴ陆相层。各层可进一步分为物理力学性质不同的若干分层。各土层物理力学参数如表1所示。场区浅层地下水属第四系潜水,地下水主要受大气降水及卫津河渗流补给并以蒸发等方式排泄,静止地下水位埋深为0.60~2.12m,软土地基沉降较大,路堤整体稳定性较差,对工程十分不利,因此拟采用水泥搅拌桩法对地基进行加固处理,以最大程度缓解桥头跳车现象。2.2模型材料的选用及计算参数的确定实际工程建设中虽然能够通过开展现场检测对工程沉降变形进行直观了解与记录,但对各层土体受力与沉降情况无法得到直观认识,在工程设计阶段需要对地基处理的效果进行分析预测,因此有必要借助相关有限元分析软件,开展数值模拟从而优化地基处理方案,实现缓解跳车的目的。本文应用ABAQUS软件对快速路紫金山路立交工程中采用水泥搅拌桩进行桥头地基处理避免出现明显桥头跳车现象进行数值仿真分析。ABAQUS大型有限元分析软件是美国HKS公司开发的一款有限元程序系统,其解决的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的线性问题,尤其在处理土体和岩石等地质材料方面功能强大。本文采用2D平面模型对工程进行建模分析。平面模型中,采用Mohr-Coulomb模型对土层塑性进行模拟。Mohr-Coulomb塑性模型在ABAQUS中通过命令*MOHRCOULOMB和*MOHRCOULOMBHARNDENING完成功能定义。该模型可用于模拟单调荷载作用下岩土工程领域的设计。Mohr-Coulomb模型的屈服面方程为:式中:p———等效压应力;q———Mises等效应力。传统的Mohr-Coulomb模型的屈服面存在的尖顶导致塑性流动方向不唯一,导致数值计算的繁琐和收敛缓慢。为了避免这些问题,ABAQUS提供的MohrCoulomb模型选取连续光滑的流动势函数(MenereyPhetc.1995),其形状在子午面上是双曲线,在π平面上是椭圆,如图2所示。该模型的主要计算参数包括:密度、杨氏模量、黏聚力、内摩擦角。分析中各个土层的上述物理、力学指标依据工程勘察报告确定,如表1所示。杂填土工程性质不佳,建模时与第Ⅰ陆相层合并考虑。由于挤土作用的存在,处理区域内考虑土层强度的提高。模拟分析中选取典型断面进行计算。其中桥台长度4.0m,下设双排钻孔灌注桩,桩径为1.2m,桩长53.0m;路面结构自上而下分别为:0.3m混凝土道面,0.3m水泥碎石稳定层,1.4m永久垫层。水泥搅拌桩处理段总长约13.0m,水泥桩桩径为0.5m,采用不等长布桩方式,其中最长桩13.0m,最短1.0m。桩土间设接触单元,接触方式采用tie连接。计算范围为宽度40m,深度140m,可消除土体边界效应对模拟结果的影响。在将三维问题转化为平面问题进行模拟的过程中,需将计算桩的等效模量。根据相关文献,可知,当桩径为0.5m时,等效桩体模量为:式中:Ep———桩的弹性模量;在模拟分析中,当桩间距发生改变时,需按式(2)重新计算桩的等效模量。按照上述方法分别建立道桥衔接处桥梁、钻孔灌注桩模型(见图3a)与道路段水泥搅拌桩模型(见图3b),网格划分后计算单元共计75000个。2.3计算道路差异沉降的方法首先模拟道路下地基未经加固处理的情况,研究桥梁与路面产生的差异沉降大小,分析跳车现象出现的可能。2.3.1桥台表面沉降位移依据桥梁设计规范施加荷载,沉降计算结果如表2所示。其中lb为沉降数据来源点与桥台模型左端距离,s为桥台沉降值。计算所得结果如图4,5所示。由图4,5和表2可以看出,钻孔灌注桩端处出现应力集中现象,桩基承担上部荷载减小桥梁沉降效果明显;桥台表面最大沉降位移出现于桥台左右两端处,最大沉降量为77.4945mm;各土层沉降位移由下至上逐渐增大,同一土层越靠近钻孔灌注桩则沉降位移越大。钻孔灌注桩附近位移沉降云图呈倒锥形分布。2.3.2道路中部沉降云图依据桥梁设计规范施加荷载,沉降位移云图如图6所示。由图6可以看出,沉降云图大致呈半圆形分布,道路中部沉降最大,靠近边界处沉降较小,在道路无限延伸时可认为中部沉降即为道路最终沉降值。由计算可知,若不采取地基处理措施,道路最终沉降位移可达13.7779cm。2.3.3桥梁与道路衔接处差异沉降严重根据以上计算结果,若不对道路地基进行处理,桥梁与道路衔接处差异沉降可达6cm,远远超出容许差异沉降值,会出现严重的桥头跳车现象,给道路桥梁的正常造成不良影响,成为行车安全的隐患。3不同地基处理方案的效果分析拟采用水泥搅拌桩法对道桥衔接处路基进行处理。考虑到不同的设计参数会导致不同的地基处理效果,以下对设计中的重要参数:置换率与桩长进行研究,分析不同地基处理方案的效果。3.1基地基础中各点沉降位移桩土面积置换率m是影响复合地基承载能力的重要指标。根据相关规范,桩土面积置换率m可按公式(3)计算:式中:dp———桩身平均直径(m);de———每根桩分担的处理地基面积的等效圆直径;等边三角形布桩de=1.05d;正方形布桩de=1.13d;式中d为桩间距。模拟正方形布桩形式,对道桥衔接处道路地基处理段建立水泥搅拌桩有限元分析模型进行数值模拟。桩距d分别取为0.75,1.00,1.20,2.00m,各模型对应的桩土面积置换率如表3所示。对模型网格进行精细划分后,计算机可对数据进行精确计算,得出所需结果。根据相关规范于模型道路表面施加荷载后,可计算得出不同桩距情况下道路表面各点沉降位移数值如表4,其中l为沉降点距桥端距离。d=0.75m,d=1.20m地基中剪应力及沉降位移云图分别如图7a,7b,图8a,8b所示。由图7,8及表4可以看出,由于水泥搅拌桩存在,上部荷载由水泥搅拌桩分担,桩端应力集中现象明显,道路沉降值明显减少,其中左端由于水泥搅拌桩长度较大,故沉降值减小幅度较大,右端水泥搅拌桩长度较小,故沉降值减小幅度较小。总体沉降值由左至右不断增大,路面沉降呈连续变化的坡状分布。不同置换率地基处理方案的道桥连接处差异沉降值(sb-r)如表5所示。差异沉降曲线如图9所示。由表5及图9可以看出,增大桩土面积置换率可以有效减小道桥衔接处的差异沉降,缓解桥头跳车现象。同时应注意到,改变置换率这一方法生成的差异沉降曲线存在拐点,可认为该拐点存在于d=1.2m和d=1.0m之间,即位于置换率13.6%与19.6%之间。当置换率大于19.6%后,继续提高置换率对减少差异沉降的作用效率降低。本工程采用桩间距2.0m,置换率为4.9%时,也可满足控制道桥衔接处差异沉降小于限值的需求。选择处理方案时应综合考虑各方面因素进行选择。路基处理段与路基未处理段衔接处若存在过大沉降差异则也会出现跳车现象,即二次跳车。据相关文献,可认为位于处理段最右排桩右侧1m处为处理段结束处,各模型对应差异沉降值如表6所示,其中sr为两路段衔接处差异沉降值。由表6可知,置换率不同的4个模型在路段衔接处差异沉降值均小于1cm,均可满足缓解二次跳车的需求。3.2道桥衔接处变形特征分析除置换率之外,水泥搅拌桩长度的不同也可能对处理效果产生影响。因此,对桩间距2m模型中水泥搅拌桩长度进行修改,保持桩间距不变,相邻各桩长度差为2m,据桥梁设计规范施加荷载对沉降值进行有限元模拟计算。修改后各模型最大桩长分别为12.5,13,14,15m,路基处理路段起始处与结束处各模型沉降值与差异沉降值如表7所示。道桥