小北河太子河特大桥桩基砂土问题研究

吴 涛

(辽阳市交通运输事务服务中心 辽阳市 111000)

0 引言

砂土液化是一种极具破坏性的地质灾害。砂土液化有可能引起地面下沉、地基土承载力丧失、桩基失稳及桥梁坍塌等工程问题,对人民群众财产安全构成重大威胁。因此,充分分析砂土液化问题对掌握桥梁桩基液化灾变及风险评估具有重要意义。

砂土液化问题实体工程评估方面,谢瑞杰等[1]以铜陵市水木冲尾砂库为例,研究发现饱和尾粉砂和尾细砂易在地震作用下产生液化。郭竟语等[2]针对孟加拉地区典型砂土进行液化分析得到,在相同条件下,孟加拉砂比厦门标准砂更易液化。刘钢等[3]以辽宁台安地区为例,探究台安砂土在动荷载作用下动力响应规律,在循环荷载作用下,台安砂土呈现初期整体受压、中期拉压平衡、后期受拉凸显的动力响应特征。张天元[4]对南水北调中线工程总干渠安阳段进行砂土液化分析,提出在设计和施工时须考虑采用加密法、换土法等方法来消除地基液化问题。刘莎莎[5]以北拒马河冲积扇为例,基于室内动三轴试验结果揭示了北拒马河冲积扇饱和砂土的动力学特性。

室内单元试验中,叶斌等[6]在细观尺度使用离散元软件分析得到,湿捣法制备砂土试样比落砂法试样的各向异性程度更小,液化所需的加载循环次数更多。倪雪倩等[7]基于室内试验,引入液-固相变参数,建立了可统一描述液化后土体应力应变关系的经验模型。陈育民等[8]将一定条件下的液化砂土视为剪切稀化非牛顿流体,且在剪切稀化状态下可发生较大的应变。综上所述,砂土液化问题分析是保证工程可靠性与安全性的重要分析过程,是桥梁设计、道路改扩建中必不可少的一环。

鉴于此,文章以辽阳市小北河太子河特大桥为例,分析砂土液化对太子河大桥施工设计的影响,探究太子河大桥桩基及承台在砂土液化下的合理埋置深度,探究不同桩长下桩激励振动对砂土的细观运动特性影响,从而揭示砂土液化与桩基振动对桥梁工程的影响机理。

1 太子河特大桥概况与设计要求

1.1 项目概况

小北河太子河特大桥位于辽阳市西北侧,省道沈环线利用该桥跨越太子河。原小北河大桥建于1986年,桥长231m,桥面净宽7m。2023年开展改扩建设计,起点位于沈环线桩号K207+500处,桥梁中心桩号为K209+045,终点位于小北河镇内与县道佟高线交叉,终点桩号为K210+441.324,路线全长2.941km。设计速度为60km/h,公路路面净宽10.5m。桥梁方案为30m预应力混凝土连续T梁。

1.2 地质概况

小北河太子河特大桥场地地层以第四系冲洪积粉质粘土、粉细砂及粉土为主。根据地下勘探结果,在地下15m范围内存在存在填筑土①1、粉砂④1、细砂③2、细砂③1、粉质粘土②1、粉质粘土②2、粉砂④2、粉质粘土⑤1、粉质粘土⑤2、粉土⑤3等。其中饱和状态为:粉细砂③1、细砂③2、砂④1、粉砂④2,其余不属于饱和状态。地层由浅到深地质条件及力学特征见表1与表2。

表1 地层地质条件

表2 地层力学特征

1.3 设计要求

小北河太子河特大桥设计满足《公路工程抗震设计规范》(JTJ 004—2005)以下条文要求:

(1)存在饱和砂土或粉土的地基,当地震动峰值加速度≥0.1g时应进行液化判断,存在液化土层的地基,应根据构造物的抗震设防类别地基液化等级,采取相应措施。

(2)当地面以下15m范围内有饱和砂土或饱和亚砂土时,可初步判断有可能液化。

(3)用桩基时,桩端伸入液化深度以下稳定土层中的固定长度不小于1.5m。

(4)存在液化地基的桩基,液化土层的桩周摩擦力、水平抗力均宜乘以液化影响折减系数。

2 砂土液化分析

2.1 地震液化评价

文章根据《公路工程抗震规范》(JTG B02—2013),对第3层细砂,第4层粉砂及第5层粉土进行液化判别。第3层细砂、第4层粉砂和第5层粉土地质年代为全新世,又以其上覆非液化土层厚度du和地下水位深度dw之间的关系判断,均在考虑液化影响范围之内。文章结合本项目地区地震效应,根据实验数据粉砂、粉土中的黏粒含量及标准贯入数据等,重点就钻孔液化等级与液化深度展开研究,经计算确定砂土层局部存在砂土液化现象,具体砂土液化情况见表3。

表3 砂土液化情况调查表

2.2 不考虑振动液化的桩长计算

文章选取典型3#墩桩及钻孔ZK13为分析对象,进行桩长计算。ZK13土层分布为6m厚的粉质粘土②1、7.2m厚的细砂③1、3.6m厚的粉质粘土②2、8.0m厚的粉砂④2、10.8m厚的粉砂④3、9.1m厚的细砂③3,总厚度44.7m。

文章依据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG 3363—2019)钻孔灌注桩单桩轴向受压承载力特征值即式(1)对桩长进行计算:

(1)

式中:Ra为单桩轴向受压承载力特征值,取值为5100kN;u为桩身周长,单位m;Ap为桩端截面面积,单位m2;n为土层数;li为承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度,单位m;qik为与li对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值,单位kPa,各层qik取值见表4。qF为修正后的桩端土承载力特征值,单位kPa。计算得到桩长L为43.67m,取值为44m。

表4 各地层qik取值

2.3 砂土液化后桩长计算

在15m深度范围内,土层分布为6m厚的粉质粘土②1,7.2m厚的细砂③1,1.8m厚的粉质粘土②2。仅细砂③1处于饱和状态,故应进一步考虑砂土液化问题。文章对Ra单桩轴向受压承载力特征值进行重新计算,按照偶然作用组合,为2570kN。小北河太子河特大桥根据《公路桥梁抗震设计规范》(JTJ 004—2005),属于B类桥梁,不考虑竖向地震力。

文章以ZK13为主要分析对象,土层分布为6m厚的粉质粘土②1,承载力基本允许值为120kPa。7.2m厚的细砂③1,承载力基本允许值为140kPa。3.6m厚的粉质粘土②2,承载力基本允许值为140～160kPa。8.0m厚的粉砂④2,承载力基本允许值为120kPa。10.8m厚的粉砂④3,承载力基本允许值为160kPa。9.1m厚的细砂③3,承载力基本允许值为260kPa,总厚度44.7m。其标准贯入锤击数修正系数Cn为0.89,实测土层的修正标准贯入锤击数N1=9.79,液化判别标准贯入锤击数Ncr=10.4714,其中N1小于Ncr,可判断为液化。液化指数Ce=0.935,为轻微液化。故按照规范液化折减系数取值,重新计算细砂③1桩周摩擦剪应力τ=23.3kPa。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG 3363—2019)钻孔灌注桩摩擦桩计算公式,计算桩长仅需满足36m即可。

3 不同桩基长度下砂土运动特性

3.1 离散单元法

离散元法的本质是将连续体离散化为离散单元体,并在计算过程中满足以下基本假定:

(1)离散体颗粒单元为刚度很大的球体。

(2)颗粒之间的接触范围很小,假定为点接触。

(3)颗粒之间的接触特性为柔性接触,允许颗粒之间出现一定的重叠量,但重叠量相比于颗粒单元尺寸很小。

(4)颗粒单元接触处可设置包括刚度、黏结强度等在内的细观参数。

文章将地基离散化为均质的球体,以Wall来代替刚性的桩基础,深入分析桩基振动对周围砂土细观力学特性的影响。

3.2 模拟分析结果

采用分层压缩法进行成样,并删除部分颗粒生成桩基础。桩基础如图1所示。

图1 桩基础示意图

对桩基施加正弦波进行垂直方向振动,同时对桩基底部水平方向由远及近4点进行速度监测,监测情况如图2所示。

图2 桩基础及监测点示意图

考虑模型精度与软件计算效率,假定浅桩基础为1.5m,中桩基础为2.2m,深桩基础为3.0m。对不同桩长下监测点的运动情况进行分析,不同桩长下监测点时程曲线如图3～图5所示。

图3 浅桩基础振动时程曲线

图4 中桩基础振动时程曲线

图5 深桩基础振动时程曲线

由图3～图5可知,随着监测点离桩基距离的增加,其振动是越弱的。浅桩基础对于监测点的振动影响是明显大于其他两类的。由图4和图5可知,监测点的振动效应并未随着桩长的增加发生明显的减弱现象。但在加载后期,监测点的运动状态随着桩长的增加而逐渐稳定。

不同桩长下监测点在桩基振动初期0～0.2s内的运动状态如图6～图8所示。

图6 浅桩基础初期运动状态曲线

图7 中桩基础初期运动状态曲线

图8 深桩基础初期运动状态曲线

由图6～图8可知,A点的运动状态明显强于B、C、D点。且随着监测点对桩基距离的增加,监测点所受的振动影响收到明显减弱。图8中A点运动曲线更为规律,这说明随着桩基长度的增加,使得砂土在加载初期运动变异性降低。建议在工程中采取较长桩基础。

4 结论

以辽阳县小北河太子河特大桥为例,对其地面砂土进行液化分析,具体结论如下:

(1)小北河太子河特大桥地面以下15m范围内存在填筑土、粉质粘土、细砂和粉砂多种土层,细砂存在砂土液化现象,水平为轻微液化。

(2)小北河太子河特大桥设计桩长超过15m,具有足够的安全性与可靠性。

(3)实体工程需考虑砂土液化的影响,桩长小于设计桩长时,实际桩长还需基本组合控制设计。

(4)桩长的增加有利于周围砂土运动状态的稳定性,但合理的桩长取值才是保证实体工程的关键。