采砂扰动地层加固技术与作用效果研究

发布时间：2020-07-05 15:18

【摘要】：某公路大桥由于河床深层采砂,造成河床下陷,部分河岸坍塌,河床地层土质松散,抽砂层以上土层处于沉降状态,形成扰动地层。由于地层发生扰动,原设计方案发生变更,改为增大桩径、桩长的设计方案,但是钻进过程中,即使在慢速钻进、以优质泥浆护壁的前提下,仍然发生了扩孔、护筒掉落的现象,且由于地层扰动范围较深,扩孔范围较大,钢护筒下落较深,严重影响了桩基的施工。文章以该公路大桥为研究背景,针对大桥主桥桥位处因采砂造成的特殊地质情况,通过加固方案比选确定高压旋喷桩加固扰动地层为最优方案,分别以高压旋喷桩加固采砂扰动地层前后的钻孔和桩基(包括单桩和群桩)为研究对象,利用有限元软件ABAQUS,分析高压旋喷桩对钻孔孔壁稳定性的影响,对比分析加固前后桩基受荷后的工作性状,研究加固前后桩身轴力、桩侧阻力、桩端沉降的分布特征,确定高压旋喷桩加固后桩基在竖向荷载和水平荷载作用下的极限承载力,判断高压旋喷桩对于桩基承载特性的影响。具体而言,包括以下几部分:(1)结合实际工程地质条件,针对采砂扰动地层这一特殊状况,针对性地提出了护筒跟进方案和高压旋喷桩固结扰动地层方案,通过比选两种加固方案的优缺点,综合考虑施工工期、施工风险及施工质量等多种因素,最终确定选用高压旋喷桩固结扰动土层后再行桩基钻孔的施工方案。(2)根据工程地质勘探资料,选择合理的计算参数,利用规范公式计算旋喷桩加固前的单桩竖向极限承载力,并与有限元软件的分析结果作对比。对比后发现两数值十分接近,证明建立的数值模型是合理的。(3)对旋喷桩加固前后的三维钻孔有限元模型进行模拟分析,通过模拟钻孔开挖、施加泥浆护壁荷载,判断旋喷桩在孔壁稳定性中起到的作用。结果显示,高压旋喷桩固结扰动土层以后,钻孔孔壁的横向位移均比加固前有所减小,旋喷桩范围内尤为明显,说明高压旋喷桩对于提高钻孔的孔壁稳定性有利。(4)对旋喷桩加固前后的三维单桩有限元模型进行模拟分析,通过施加强制位移计算单桩竖向极限承载力,分析加固前后桩身轴力、桩侧阻力、桩端沉降的分布特征。数据显示桩身轴力均由桩顶发挥至桩底且逐渐减小;桩侧摩阻力从上到下发挥,直至桩身全长且在旋喷桩长度范围内,摩阻力较加固前增大;加固后的桩端沉降较加固前减小;根据Q-S曲线确定桩基极限承载力,加固后桩基极限承载力提高了约14.68%。(5)分别建立旋喷桩加固前后的三维单桩和群桩的有限元模型,根据规范对桩顶施加强制位移确定桩基水平承载力,通过分析加固前后桩身弯矩、横向位移和P-S曲线的分布特征,判断旋喷桩对桩基水平承载性能的影响,确定桩基水平极限承载力。数据显示,加固后单桩的水平极限承载力较加固前提高了15.42%,群桩的水平极限承载力较加固前提高了15.17%。(6)分别建立旋喷桩加固前后的三维群桩有限元模型,计算加固前后群桩竖向承载力,研究受荷后群桩基础的工作性状,对比分析加固前后群桩桩身平均轴力、桩侧平均摩阻力、桩端沉降的分布特征,确定群桩极限承载力。数据表明,桩身轴力在桩身范围内都有发挥,且由于桩侧摩阻力的增大,在旋喷桩顶部桩身轴力迅速减小,而后趋于平缓;整体范围内,旋喷桩加固后的桩侧平均摩阻力较加固前大;加固后的桩端沉降较加固前明显减小了9.43mm;Q-S曲线显示加固后桩基极限承载力提高了约16.57%;旋喷桩加固后,群桩效率系数较加固前增大为0.913,说明旋喷桩可以减小群桩效应,对增加群桩基础的承载力有利。
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U445.72
【图文】：

桩基础,桥梁

1.1 引言“十三五规划”的提出，对我国基础设施的建设提出了新的要求，工程规模的不断扩大，结构运行能力的逐渐提高，上部结构传递到下部基础的荷载也日益增大，如果只依靠传统的基础形式承受上部结构的荷载，已经很难符合基础建设和结构发展的趋势。桩基础形式在我国古代建筑史上扮演着举足轻重的角色，是一种广泛应用和具有普遍适用性的深基础形式，与以往建筑物结构物中采用的常规基础形式相比，桩基础具有诸多优点，如受荷后的整体稳定性好、受力后沉降均匀、自身变形小，以及基础本身承载力高等，正是由于桩基础优点突出，适用于多种工程地质环境，不仅可以作为楼房、桥梁等建（构）筑物的承重基础，还在软弱地基的加固，基坑、地下车站等地下结构的支挡方面应用颇多，尤其是在南方部分软土地区，桩基应用更为普遍。由于地质条件的复杂性，桩基础在施工时具有一定的隐蔽性和不确定性，相较其他类型的基础，其造价较高[1]。单桩基础和群桩基础如图 1.1 所示。

示意图,群桩效应,单桩,效应

(a) (b)图 1.2 单桩效应、群桩效应示意图（1）理论法研究进展国内外诸多学者对群桩计算理论的研究乐此不疲，使得群桩基础的计算理论更为和贴近实际。Dvais 和 Polous[56-58]（1971）假定土体为连续弹性材料，提出了群桩基础在均质的沉降问题的计算方法，该方法基于 Mnidini 解的弹性理论，利用 Mnidini 积分解求桩基础中各单桩之间的影响系数。Seed，Reese[59](1957)在分析荷载传递规律及计算沉降时，第一次提出荷载传递法结出该方法的关键是建立合理的传递函数，该函数能正确的模拟桩侧摩阻力和剪切。Cooke[60](1974)在计算桩基沉降时，第一次提出剪切位移法，运用该方法计算单基的沉降时，可以做出计算沉降时只考虑桩侧土的剪切变形的假设。

【参考文献】