復雜地形下橋基局部托換的安全分析

耿大新，王迎迎，李有國

(1.華東交通大學 土木與建筑學院巖土研究所，江西 南昌 330013；2.江西贛鐵投資發(fā)展有限公司，江西 南昌330046)

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復雜地形下橋基局部托換的安全分析

耿大新1，王迎迎1，李有國2

(1.華東交通大學 土木與建筑學院巖土研究所，江西 南昌 330013；2.江西贛鐵投資發(fā)展有限公司，江西 南昌330046)

摘要：針對某一擴建施工鐵路工程，修建了非對稱樁基框架。對既有人行天橋橋基進行了局部托換與抗滑加固，以確保原結構的安全性與穩(wěn)定性。運用ABAQUS軟件建立了三維簡化模型，對實際施工工況進行了數(shù)值模擬，設計驗算結果證明了所建模型的合理性?？紤]到降雨入滲的影響，對歷年最大降雨強度下不同持續(xù)時間的情況進行了模擬，分析了雨后彎矩和位移的變化情況。研究結果表明：樁基框架和橋臺形成一個整體，組成協(xié)同受力體系，其中，抗滑樁承受了較大的側向壓力。在最不利降雨條件下，該加固方案效果明顯且滿足要求。

關鍵詞：局部托換；抗滑加固；降雨入滲；穩(wěn)定性

0引言

隨著中國地鐵、輕軌和隧道等地下空間開發(fā)工程的迅猛推進，其施工過程中對既有建筑物的不利影響越發(fā)引人關注。樁基托換技術成為解決此類工程問題的關鍵施工技術，且效果良好[1-3]。邊坡治理時，采用樁基托換后，樁具有抗滑加固的作用。樁的抗滑性能是工程領域的一個重要的研究課題[4-6]。文獻[7]用Morgenstern-Price法建立了邊坡穩(wěn)定性分析模型，通過引入優(yōu)化算法，得到更符合實際情況的最危險滑動面及最小安全系數(shù)。文獻[8]提出了更具可靠性的抗滑樁位移和內(nèi)力計算的有限元數(shù)值解法，并與實測結果進行對比，指出樁側地基水平抗力參數(shù)具有非線性特性。文獻[9]通過數(shù)值模擬研究了不同類型邊坡內(nèi)微型抗滑樁的破壞機制，并給出了破壞形式。文獻[10]在不同強度折減系數(shù)條件下，從樁土整體穩(wěn)定性和樁間土拱現(xiàn)象著手，對比分析了不同截面樁邊坡加固時的效果。

然而，降雨入滲后土體參數(shù)弱化，對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[11-12]。文獻[13]對ABAQUS軟件進行二次開發(fā)，完善降雨入滲邊界條件設定，指出抗滑樁的存在阻斷了排水斷面，對邊坡的穩(wěn)定性造成不利影響。文獻[14]以非飽和土力學理論為基礎，結合有限元分析方法，研究了雨水下滲運移對邊坡穩(wěn)定性的時間效應及滑坡形成的機理，指出強降雨初期滑坡體安全系數(shù)降低明顯，為滑坡多發(fā)時段，并給出滑坡防治的排水措施和綜合治理建議。

某實際工程因工業(yè)發(fā)展需增修鐵路專用線，然而，施工中原穩(wěn)定邊坡的開挖會對既有人行天橋的安全與穩(wěn)定性造成影響，故通過樁基框架對人行天橋處的橋臺基礎進行局部托換(該樁基框架兼有抗滑作用)?？紤]到降雨這一不利因素的影響，本文通過ABAQUS數(shù)值模擬，著眼于受力與位移，分析了持續(xù)降雨后邊坡和橋臺的安全性及該加固方案的加固效果。

1工程概況

某既有鐵路線切丘陵邊緣而過，地勢南高北低。根據(jù)勘察報告，區(qū)域內(nèi)上覆層分布主要為：①素填土，厚0.8～8.1 m；②含礫粉質黏土，厚4.5～7.0 m；③角礫土，厚5.0～5.8 m；④弱風化石灰?guī)r，厚8.0～15.8 m。附近工業(yè)園擬建長達7.4 km的鐵路專用線用于貨物運輸，擴建時將對原穩(wěn)定邊坡進行開挖。為保證邊坡安全，通過混凝土擋墻進行加固，擋墻截面尺寸如圖1所示。

某人行天橋橫跨該鐵路線，地處線路施工段。為保證工程建設過程中既有人行天橋正常工作，設計將原橋臺基礎擴建。施工時，采用挖孔灌注樁對橋臺基礎進行局部托換和加固，樁頭上部以冠梁連接形成框架(樁和冠梁均為現(xiàn)場澆筑而成)，并用植筋與橋臺臺身綁定。由于沿著鐵路縱向橋臺的兩側邊坡坡度不同，按照側土壓力的分布形式，采取非對稱加固方式，加固方案如圖2所示。

圖1 混凝土擋墻剖面圖圖2 樁基框架加固示意圖

2數(shù)值模擬

2.1模型建立

沿鐵路縱向，原地層情況復雜，且橋臺的兩側土體邊坡非對稱(高差1.6 m，坡面不一)。模型對地層進行簡化，簡化結果如圖3所示。

圖3　簡化地層分布圖

建立三維整體模型，見圖4。模型尺寸為60.0 m×46.0 m×28.6 m(矮邊坡側高為27.0 m)，由高坡側到矮坡側過渡段長10.0 m，坡降1.6 m。開挖土體剖面簡化為等邊三角形，尺寸為60.0 m×3.8 m×3.8 m。擋土墻簡化為矩形剖面結構體，尺寸為60.0 m×1.0 m×5.0 m，嵌入土體1.2 m。

模型同時對橋臺和冠梁進行簡化，橋臺尺寸為3.5 m×3.5 m×5.9 m;冠梁呈“L”型(由3根加固樁的分布位置確定)，截面尺寸為1.0 m×2.0 m。設計樁長12.7 m，嵌入土層深度10.5 m，其中,嵌入基巖0.5 m。樁3直徑1.2 m，樁1和樁2直徑均為1.0 m。由于施工時冠梁和樁現(xiàn)澆而成，認為冠梁和3根樁為一個整體，組成樁基框架,對人行天橋橋臺產(chǎn)生局部托換和抗滑加固的作用，如圖5所示。

2.2參數(shù)選取

根據(jù)室內(nèi)試驗、原位測試﹑野外鑒定以及地區(qū)經(jīng)驗，綜合評價給出各材料物理力學參數(shù)，見表1。

（1）試件無損檢測 試件焊縫表面呈現(xiàn)銀白色或金黃色，表面無裂紋、咬邊、未熔合的缺陷，焊縫余高未超過1～3mm，根部全焊透。按照ASME B31.1要求進行射線檢測合格。

圖4 三維整體模型圖5 局部托換與抗滑加固示意圖

表1　材料物理力學參數(shù)

2.3模型中的接觸及使用的單元

由于冠梁和橋臺進行了植筋連接，因此，在數(shù)值模擬時將橋臺、冠梁和樁進行合并處理?；炷翐鯄εc土體之間設置主從面接觸，罰摩擦，摩擦因數(shù)取0.15，擋墻底部采用綁定接觸；橋臺、冠梁周邊及樁周與土體也采用主從面接觸，切向為罰摩擦，摩擦因數(shù)取0.20，底部與土體綁定。模型中部件的增減采用“生死單元”的方法進行控制。

模型均采用實體單元來模擬，其中，土體采用理想線彈塑性Mohr-Coulomb模型，橋臺、樁基框架與擋墻為彈性材料。網(wǎng)格劃分均采用C3D8R六面體縮減積分單元。

2.4載荷及降雨入滲邊界條件

模型中的主要荷載包括自身質量和橋臺上部荷載。橋臺所受荷載主要為橋身質量及上部行人荷載，模擬時等效為3.5 kPa均布荷載施加。模型四周采用水平向約束，底部采用XYZ三向約束，模型上部為自由面。

根據(jù)降雨強度q、土壤允許入滲的容量fp以及土壤飽和時的水力傳導系數(shù)Kws，將復雜的降雨入滲過程分為以下3種情況：①Kws>q：表示雨水全部入滲，未產(chǎn)生地表徑流，且水的入滲率保持不變；②Kws

降雨時，由于雨水的入滲，土體參數(shù)發(fā)生改變，對橋臺和邊坡的安全性與穩(wěn)定性造成影響，這種影響程度又與降雨強度、降雨持續(xù)時間的關系密切[15-17]。降雨邊界函數(shù)以降雨強度q表示，根據(jù)當?shù)氐膶嶋H降雨情況，考慮最不利因素進行模擬，即在降雨強度為10 mm/h，降雨持時分別為0 h、3 h、6 h、9 h和12 h的情況下，進行結構安全性分析。降雨強度隨降雨持時的變化關系如表2所示。

表2　降雨強度隨降雨持時的變化關系

注：ɑ為自由面坡度。

3結果與分析

3.1模型可靠性分析

為更直接地監(jiān)測抗滑樁的變形情況，現(xiàn)場運用全站儀進行了控制測量，測量項目包括抗滑樁樁頂?shù)乃轿灰坪拓Q向位移。針對抗滑樁的變形，在現(xiàn)場冠梁上布設了3個監(jiān)測點(#1、#2、#3)，具體位置如圖2a所示。ABAQUS模擬、FLAC3D驗算及現(xiàn)場監(jiān)測的抗滑樁樁頂水平位移和豎向位移結果見表3。由表3可知：3種方式的位移相差不大，且水平位移均小于6 mm，滿足規(guī)范要求。

表3　3種方式所得的抗滑樁變形結果

圖6　模擬彎矩結果與驗算彎矩結果對比

3.2降雨分析

3.2.1水平位移

3根樁的樁身水平位移變化情況如圖7所示。圖7中，樁1的水平位移最大，樁3次之，樁2最小。隨降雨的持續(xù)進行，樁身水平位移均平穩(wěn)增加，且3根樁在地面以上位移基本上呈線性變化，地面以下呈非線性變化。

圖7　樁身水平位移變化趨勢

圖8為不同降雨持續(xù)時間下，坡體、橋臺和樁基框架的最大水平位移。由圖8可知：三者均隨降雨持續(xù)時間的增加而增加，只是增加趨勢不同。坡體最大水平位移增加幅度較橋臺和樁基框架大，且橋臺和樁基框架最大水平位移數(shù)值相近。

圖8　雨后最大水平位移發(fā)展趨勢

不同工況下坡體最大位移發(fā)生的位置，均出現(xiàn)在高邊坡一側擴建開挖后的坡腳處。雨后12 h坡體最大水平位移為11.0 mm，位移很小，滿足要求，可見該施工加固后的邊坡是安全的。不同降雨工況下，橋臺最大水平位移位于頂端靠近高邊坡一側，雨后12 h最大位移為5.0 mm。樁基框架最大水平位移發(fā)生在沿鐵路走向方向冠梁端部與橋臺連接處，該處橋臺和樁基框架以植筋連接，雨后12 h最大位移為4.6 mm。

3.2.2樁身彎矩

在同一降雨強度、不同降雨持續(xù)時間的影響下，3根樁的彎矩分布情況如圖9所示。降雨初期，樁3所承受的彎矩最大，樁1次之，樁2稍小。隨著降雨持續(xù)時間的增長，3根樁的樁身所承受的彎矩逐漸增大，但增大的趨勢略有所緩和,樁3明顯先急后緩，樁1和樁2增加較平穩(wěn)。降雨12 h后，3根樁共同受力，彎矩分配較均勻，且完全滿足承載要求。

圖9　樁身彎矩變化趨勢

4結論與建議

(1)針對實際工況設計的非對稱框架加固方案滿足安全要求，可為類似復雜工況提供指導。工程中應根據(jù)實際受力情況進行加固設計，避免盲目套用其他工程的加固方案而造成不必要的浪費及工期的拖延。

(2)在最不利降雨條件下，隨降雨持續(xù)時間的增加，3根抗滑樁所承受的彎矩和水平位移逐漸增加，且增加趨勢緩和平穩(wěn)，說明更多的側向坡體荷載被轉至抗滑樁承擔。另外，橋臺和樁基框架最大水平位移增加平緩且數(shù)值相近，完全滿足承載能力的要求，據(jù)此可以推斷樁基框架局部托換和抗滑加固效果較好，已經(jīng)形成協(xié)同受力體系。

(3)樁基框架最大水平位移隨著降雨持續(xù)時間的增加呈現(xiàn)先快后慢的增長趨勢，最不利位置為樁1處冠梁的端部，因此，該工程應重視最不利位置處橋臺與冠梁間的植筋連接。建議加強對該區(qū)域的監(jiān)測，避免出現(xiàn)受力不足而拔出的危險。

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中圖分類號：U418.5+2

文獻標志碼：A

收稿日期：2015-11-13

作者簡介：耿大新(1977-),男,山東濟南人，副教授,博士,碩士生導師,主要從事巖土工程和隧道工程等方面的教學和科研工作.

基金項目：江西省自然科學基金項目(20142BAB206002)

文章編號：1672-6871(2016)03-0058-06

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.03.013