高填方对引桥桩基安全的影响分析的研究.doc

1、1高填方对引桥桩基安全的影响分析的研究摘要：随着近海的开发，围海造地的工程日益增多，新建项目施工作业以及运营时必不可免地会对周边已建建筑造成影响，因此分析新建工程对周边已建建筑的影响变得尤为重要，这不仅关系到工程施工的工艺方法与安全，更关系到工程的可行性。本文以福建 LNG 站线项目秀屿接收站 5、6#储罐工程陆域形成为例，通过对新建的高填方陆域形成施工对周边桥梁桩基安全影响的分析，有针对性的采取相应的陆域形成工艺，旨在为类似工程的设计和施工提供参考。 关键词：高填方，桥梁桩基，施工工艺，安全影响分析 中图分类号： TU74 文献标识码：A 文章编号： 一、概况 福建 LNG 站线项目秀屿接收

2、站 5、6#储罐工程拟建堤堰，堤顶线距离东引桥桩基最近距离约为 90m，考虑堤堰外坡总宽约为 68m 左右，则堤角处距桩基只有 22m 左右的安全距离。由于工程区存在深厚的软弱压缩层，表层淤泥厚度约为 810m，其含水量大，压缩性高，力学指标差，承载力低，堤堰自重及吹填料荷载，将使桩周土产生相对的向下位移和水平位移，从而导致基桩产生负摩擦力和水平剪力，对基桩受力不利。负摩擦力会降低基桩的承载能力，尤其对依靠桩侧摩擦力和桩端阻力的基桩，由于负摩擦的作用，不仅使原来提供的基桩承载力的正摩擦力消失，而且增加了作为桩基外荷载的负摩擦力，大大降低了桩基的承载能力。水2平剪力如果大至一定程度，不但在桩身产

3、生附加弯矩，还有可能将基桩剪断，造成工程事故。 为避免工程实施对引桥桩基的安全造成较大影响，采取稳定性较好、工程质量有保障的砂桩方案对堤堰底部天然淤泥层进行加固，并将砂桩加固范围扩大到堤脚处，形成复合加固体，使堤身应力向地基深处传播，阻止或减小应力沿水平方向传播，从而降低对已有桩基的影响。同时，为了引桥的正常安全运营，分析堤堰及吹填施工对东侧引桥桩基的影响程度，以确保桩基的绝对安全。 参照引桥结构施工图，桩基为 1600 灌注桩，上部结构为现浇钢筋混凝土横梁。 本部分内容通过大型有限元程序对堤堰施工及吹填施工产生的土体竖向位移和水平位移进行分析，本工程拟从桩身负摩擦力和水平抗力两个方面对桩基的

4、安全性作出评价。 1.1 计算方法及计算模型 (1) 计算方法 本次计算采用弹塑性增量有限单元法进行，天然地基土体采用摩尔-库仑（Mohr-Coulomb）弹塑性模型，该本构模型能够比较准确的反映岩土体介质的力学性质，其屈服面是一个不规则的六角形截面的角锥体表面，见图一。 图一主应力空间中 Mohr-Coulomb 和 Tresca 屈服面模型 摩尔-库仑模型屈服准则可表达为： 3式中，为应力张量的第一不变数，为应力偏量的第二不变数，为罗德角()，c 为粘聚力，为内摩擦角。 规定以拉为正，且时，流动准则采用主应力的表达形式为： 其中，为土体的剪胀角。 弹塑性应力应变关系可表述为： 式中，为应力

5、增量，为弹塑性刚度矩阵，为总的应变增量，是由弹性变形引起的应变增量，是由塑性变形引起的应变增量。 应变和应力之间的关系为： 式中， ， ，为弹性刚度矩阵，为弹塑性刚度矩阵，为屈服函数，为塑性势函数，为反映硬化特性的变数，为硬化参数。 当不考虑硬化规律时，弹塑性矩阵可表示为 通过求解以上应力应变矩阵方程，即可求出各单元节点的应力应变，从而得到地基的附加应力、地基竖向位移和水平位移。 (2) 计算模型 4为准确分析堤堰及吹填对工程区域附近土体产生的影响，本有限元模型范围在竖向取 40m 深，水平方向取 200m 宽，以堤堰顶点为原点，左右各 100m 宽。引桥下一共三根桩，桩单元及桩顶面层结构采用

6、梁单元模拟，只须重点分析堤堰及吹填产生在桩身处产生的土体竖向和水平变形，即可作出对桩基的影响评价。 本模型的约束条件为：在侧面采用法向约束，底面采用全自由度约束，见图二，图中标识为右侧外的部位为第一根桩位置。 图二有限元分析模型 根据勘察数据，本模型将天然地基分为三层，分别是表层淤泥层、中间粘土层和底部风化岩，其中表层淤泥又为砂桩加固部分和天然淤泥部分，连同吹填砂层，以上土体采用摩尔库仑弹塑性模型，对于堤身抛石，采用线弹性模型。各土层的物理力学指标见下表一： 有限元分析参数表表一 1.2 砂桩置换法数值计算结果及结果分析 本工程堤堰的形成拟分级实施，根据堤堰设计断面，模型中考虑通过分层、分级加

7、载，第一级抛石标高为+4m（同时陆域吹填至+4.0m 处） ，第二级抛石标高为+10.0m（同上） ，第三级加载至堤顶设计标高+13.0m（同上） ；每一级抛填还需进行分层施工，每层加载水下不超过53.0m，水上不超过 2.0m。本次有限元计算根据堤堰分级实施的先后顺序，采用相同的施工工况模拟各级堤身荷载及吹填荷载的作用，得出各级荷载下桩位处的竖向沉降分布曲线以及水平位移分布曲线，根据计算出的地基变形值，分析对桩基负摩擦力及水平剪力的影响，最终对砂桩加固断面的安全性作出评价。 (1) 对桩基负摩阻力的分析 对于堆载引起的桩身负摩阻力，根据本次数值模拟的位移场进行分析，考虑堤堰及吹填对桩基的影响

8、。本次从堤堰施工至吹填完成，桩基周围处地基最大沉降只有 2.3mm。 地基最终位移图显示，桩位处地基变形以水平向右为主，只有轻微的向下位移，在桩的右侧一段范围内，地表出现小幅的向上隆起，与实情情况比较吻合。 图三吹填施工的地基竖向沉降图 通过上述分析可得到如下结论：本工程桩基承受的附加荷载以水平力为主，竖向沉降很小甚至略有隆起，因此产生的负摩阻力可忽略不计。(2) 对桩基水平剪力的分析 根据堤堰及吹填分级实施的施工顺序，本次数值模拟计算出各工况的地基水平位移和桩身位移，通过水平位移大小分析对桩基的影响程度。对于地基水平位移，有限元计算结果见图四 。 6图四 施工时桩位处土体水平位移随深度的分布

9、曲线 随着填土工程的分级实施，从水平位移分布曲线的发展趋势，可以得出如下规律： 随着堤身分级形成，桩位处土体水平位移逐渐增大，在堤内 侧吹填施工完成后，水平总位移达到最大值 4.0cm。由于吹填层较厚，且作用范围广，其对水平位移影响程度要大于堤堰施工带来的影响，因此在吹填施工时应控制吹填速率，可采用分期吹填的方案。为直观了解地基水平位移的分布规律及变化趋势，现将各施工工况荷载下计算得到的地基水平位移云图列出，详见图五、图六、图七。 图五 施工第一级堤堰的地基水平位移云图（单位：m） 图六 施工第二级堤堰的地基水平位移云图（单位：m） 图七 施工第三级堤堰的地基水平位移云图（单位：m） 根据以上

10、计算结果，堤堰施工和回填施工在前排桩处产生的最大土体水平位移为 4.0cm，主要发生在淤泥层，根据同类工程经验，堤堰实施及回填施工通过分级进行，分级荷载之间均有一定的时间间隔，每级荷载产生的位移将使表层淤泥绕过桩基，从桩间缓慢流动以达到新的应力平衡状态，因此荷载引起的桩身水平位移要远小于桩周土体位移，并且引起的桩身位移和内力并不具有迭加效应。由此可以得出如下结论：由于每级荷载引起的土体位移相对较小，对桩基产生的水平剪力和桩身弯7矩也较小，不会对桩基结构安全造成隐患。 (3) 数值模拟小结 根据数值模拟的有限元计算结果，堤堰底部经砂桩加固后，可将东引桥桩基处的地基竖向沉降控制在 0.2cm 以内，将桩身水平位移控制在4.0cm 以内，由于土体的竖向沉降和水平位移均较小，不会对桩基产生大的负摩阻力和水平剪力，同时，由于桩身水平位移较小，不会产生大的桩身内力，拟建工程中堤堰的实施和吹填施工不会对东引桥桩基产生工程隐患。 参考文献 1 中国围海工程，中国水利水电出版社，2000 年 11 月 2 中国海岸工程，严凯主编，河海大学出版社，1992 年 3 地基处理手册，曾国熙、卢肇钧主编，中国建筑工业出版社，1988 年