考慮土體蠕變的橋臺(tái)長期變形機(jī)理分析

劉永棵

（重慶市渝北區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，重慶401120）

軟土地區(qū)的橋梁，隨著服役時(shí)間的延長，橋臺(tái)在臺(tái)背填土與汽車荷載的長期作用下，易出現(xiàn)沉降或向前推移的現(xiàn)象。填土越高，作用時(shí)間越長，這種現(xiàn)象越明顯，土基礎(chǔ)的變形會(huì)引起橋臺(tái)和墩帽梁處開裂、伸縮縫裝置破壞而機(jī)動(dòng)性能受阻、行車過程中發(fā)生跳車等病害。分析橋臺(tái)土基礎(chǔ)的蠕變特性，研究橋臺(tái)的長期變形機(jī)理，是解決病害的必要途徑。

土基礎(chǔ)的蠕變，是土體在橋臺(tái)重力、臺(tái)背填土的壓力、行車荷載等耦合作用下，隨時(shí)間的變化發(fā)生的緩慢變形。土體的蠕變理論，有基于Laplace變換及其逆變換的解析法和基于串并連元件的模型法。前者主要用于研究土的蠕變特性，后者便于有限元法的程序設(shè)計(jì)，所以在工程實(shí)踐中逐漸推行并取得了較好成果。運(yùn)用ABAQUS有限元軟件的蠕變分析模塊，研究橋臺(tái)的長期變形機(jī)理。

1 橋臺(tái)蠕變有限元模型

1.1 土體蠕變本構(gòu)關(guān)系

采用擴(kuò)展DRUCKER－PRAGER蠕變模型的時(shí)間硬化法則，其本構(gòu)關(guān)系為

式（1）表征的是蠕變應(yīng)變與時(shí)間及等效應(yīng)力的關(guān)系，積分后結(jié)果如下式

式中:n＞0；0≥m＞－1；A，n，m必須在土體蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合后獲取。

1.2 有限元模型

以重慶市某跨度為28m的簡支梁橋?yàn)槔?，建立橋臺(tái)有限元分析模型，如圖1所示。土體采用Drucker－Prager準(zhǔn)則，考慮蠕變與硬化特性，橋臺(tái)采用線彈性模型，網(wǎng)格為四結(jié)點(diǎn)雙線性平面應(yīng)變四邊形單元CPE4。

2 橋臺(tái)變形機(jī)理分析

2.1 蠕變分析

選取如圖1所示的橋臺(tái)1～4處為例，分析在土體蠕變作用下的變形特性。橋臺(tái)各關(guān)鍵位置周圍土體的蠕變變形會(huì)隨時(shí)間變化而發(fā)生改變（見圖2）。

圖1 橋臺(tái)有限元分析模型

圖2 橋臺(tái)各關(guān)鍵位置的蠕變位移隨時(shí)間變化

從圖2可以看出，在土體蠕變啟動(dòng)初期，各監(jiān)測點(diǎn)產(chǎn)生較快的滑移變形，之后變形速率逐漸減小，經(jīng)歷一段時(shí)間后，變形速率趨向較小的穩(wěn)定值，進(jìn)入勻速緩慢變形階段?？梢姌蚺_(tái)在荷載長期作用下，由于土基礎(chǔ)的蠕變，會(huì)發(fā)生減速變形，從而導(dǎo)致橋頭的沉降和開裂等病害。

2.2 應(yīng)力場與應(yīng)變場分析

在蠕變啟動(dòng)初期，土基礎(chǔ)應(yīng)力場呈現(xiàn)隨深度均勻增加的分布狀態(tài)（見圖3）。在發(fā)生蠕變后，橋臺(tái)底部土體應(yīng)力增加（見圖4）。隨著時(shí)間的增長，土基礎(chǔ)產(chǎn)生蠕應(yīng)變（見圖5）。隨著土體厚度的增加，蠕變減小。土體蠕變推動(dòng)橋臺(tái)產(chǎn)生水平位移（見圖6）。橋臺(tái)上半部水平位移較大，下半部位靠近土基處水平位移相對較小，橋臺(tái)有傾覆趨勢。同時(shí)，整體發(fā)生豎向位移，導(dǎo)致橋臺(tái)面與路面產(chǎn)生沉降及撕裂。

3 橋臺(tái)變形防治措施

基于橋臺(tái)的長期變形機(jī)理，從土基礎(chǔ)物理特性和橋臺(tái)結(jié)構(gòu)形式兩方面考慮，采取防治措施。

1）改善土基礎(chǔ)的物理力學(xué)性能，增加土體剛度，從而增加土體蠕變的啟動(dòng)應(yīng)力，控制啟動(dòng)或降低蠕變，減緩橋臺(tái)的變形。

2）采用樁基礎(chǔ)，特別是群樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)上的部分荷載由樁基傳遞到土層深部，從而降低橋臺(tái)底部土基礎(chǔ)的應(yīng)力。土基礎(chǔ)在低應(yīng)力作用下不易產(chǎn)生蠕變，橋臺(tái)不會(huì)由于土體蠕變而產(chǎn)生變形。

圖3 未蠕變時(shí)應(yīng)力場分布

圖4 蠕變后應(yīng)力場分布

圖5 蠕應(yīng)變場分布

圖6 蠕變后水平位移場分布

4 結(jié) 論

由于土體的蠕變特性，服役期的橋臺(tái)隨著時(shí)間的增長，會(huì)發(fā)生明顯的變形而產(chǎn)生病害。采用ABAQUS有限元軟件的蠕變分析法，有效揭示了橋臺(tái)長期變形的機(jī)理。得到以下結(jié)論:

1）在橋臺(tái)重力和橋面荷載的長期作用下，土基礎(chǔ)發(fā)生減速蠕變。在蠕變啟動(dòng)初期，橋臺(tái)產(chǎn)生較快滑移變形，之后變形速率逐漸減小，經(jīng)歷一段時(shí)間后，變形速率趨向較小的穩(wěn)定值，橋臺(tái)勻速緩慢變形。

2）改善土基物理特性，樁基礎(chǔ)傳遞的橋面荷載可到達(dá)較深的持力層，降低土基礎(chǔ)應(yīng)力，減小蠕變速度，從而減緩橋臺(tái)長期變形。

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