关键词:
钢管桩围堰
深大桥基
薄土夹层
流固耦合
受力变形特性
摘要:
在涉水桥梁施工过程中,桥基、围堰的受力变形特性对上部桥墩及其它结构的施工安全性至关重要,而含薄土夹层的水下砂层地质特性将进一步影响桥基和围堰的受力变形。因此,本文以西安地铁10号线公轨合建桥的桥基围堰工程为背景,在联合数值和规范法进行桥基围堰施工全过程的受力变形演化特性分析的基础上,着重研究薄土夹层对钢管桩围堰、桥基受力变形特性的影响,进而分析薄土夹层影响下的桥基和钢管桩围堰相互作用特性。研究成果如下:
(1)通过规范法计算桥基承载力并校核了钢管桩围堰的稳定性,并建立含有薄土夹层的水下砂层-深大桥基-钢管桩围堰的三维模型,采用流固耦合的计算方法模拟了桥基围堰施工全过程,研究了桥基及钢管桩的受力变形演化特性。桥基最大沉降量为55.64mm,钢管桩水平变形发生在桩顶以下14m位置处为28.86mm,并呈“大肚子状”分布,且整体变形趋势与现场监测规律吻合较好,主墩施工完成阶段为最危险工况,桥基和钢管桩围堰变形受力特性均具有明显的时空效应。桥基承载力,钢管桩围堰入土深度,内侧抗弯、外侧抗弯及抗剪强度,变形,抗倾覆和抗隆起稳定性等均满足规范要求。
(2)在分析最危险工况下地层分层与强度特性对钢管桩围堰变形影响基础上,研究了薄土夹层特性对钢管桩围堰稳定性的影响。地层的内摩擦角和粘聚力的提高均会降低钢管桩变形,但分层地层相对均质地层影响偏小,薄土夹层具有明显的阻水效应和作为围堰封底的可行性,当考虑将其作为围堰的封底时,薄土夹层具有明显的水盆效应。薄土夹层厚度的增加会降低钢管桩的水平变形,薄土夹层渗透系数变化对钢管桩变形影响较小,薄土夹层连续性的增强使钢管桩的水平变形呈先增后减趋势而竖向变形呈增加趋势,薄土夹层与钢管桩之间的距离增加使钢管桩水平位移呈先增后减趋势。
(3)在分析最危险工况下地层分层与强度特性对桥基受力变形特性影响基础上,研究了薄土夹层特性对桥基稳定性的影响。地层的内摩擦角和粘聚力的提高均会降低桥基的变形和轴向应力,但分层地层相对均质地层影响偏小。当考虑将地层中薄土夹层作为围堰的封底时,薄土夹层厚度的增加会降低桥基的竖向变形与轴向应力,薄土夹层渗透系数变化对桥基变形及轴向应力影响较小,薄土夹层连续性的增强使桥基竖向位移和轴向应力降低。
(4)分析了最危险工况下薄土夹层对桥基和钢管桩围堰相互作用特性的影响。薄土夹层不作为围堰封底时,桥基长度的增加使管桩水平变形呈先减后增而竖向变形呈持续降低趋势,而钢管桩围堰长度增加使桥基变形受力均呈降低趋势;薄土夹层作为围堰封底时,桥基长度的增加使钢管桩的水平变形和竖向变形都呈减小趋势,且钢管桩围堰长度增加也使桥基变形受力均呈降低趋势,可进一步优化桥基和钢管桩围堰长度。
本文的相关研究成果,对于深入探究地层中含有薄土夹层的桥基围堰设计、施工稳定安全优化问题具有重要意义,可为今后类似工程提供借鉴和科学技术支撑。