軟土地區(qū)堆載對鄰近高架橋墩的影響分析

邵　曼

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院， 湖南 長沙　410008)

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軟土地區(qū)堆載對鄰近高架橋墩的影響分析

邵曼

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院， 湖南 長沙410008)

[摘要]針對廣東軟土地區(qū)的土質(zhì)，采用整體有限元方法，研究了堆土對廣州東沙至新聯(lián)高速公路高架橋梁承臺樁基的附加彎矩和變形?？紤]堆土高度，堆土距離，對稱堆土對墩基的影響，提出了控制堆土對鄰近橋梁承臺影響的有效工程措施。

[關(guān)鍵詞]有限元； 堆載； 變形曲線； 控制措施

0前言

隨著我國沿海發(fā)達地區(qū)的交通大發(fā)展，對交通速度提升越來越迫切，高架橋梁的應(yīng)用是解決軟土地區(qū)城市立交、快速路、輕軌等快速交通建設(shè)對沉降，變形要求高的有效方法。然而近年來大規(guī)模建設(shè)的過程中，軟土地區(qū)常常因為堆載施工對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了嚴重的威脅甚至造成不可挽回的破壞后果。2009年上海某商品房小區(qū)在建13層住宅樓一側(cè)的堆載10m，并在另一側(cè)開挖4m基坑導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)向開挖側(cè)傾覆，PHC管樁全部破壞[1]。某高速鐵路橋梁9#，10#，1#橋墩因單側(cè)大量土方堆載導(dǎo)致3個橋墩偏移超過100mm，無法架設(shè)預(yù)制T型箱梁[2]。對于堆載影響的土體位移場對承臺樁基的影響，學者們普遍將這種問題歸為“被動樁”的課題[3]，并采用了土壓力法、位移法等方法進行理論分析。土壓力法是估算樁的土壓力分布[4]，但此法不能分析樁的變形狀態(tài)；位移法根據(jù)彈性地基反力法求得樁的全長位移內(nèi)力分布[5]，不過該法對于承臺和樁土相互影響并未考慮在內(nèi)，只是將樁所處的位移數(shù)據(jù)輸入。

本文將根據(jù)軟土地區(qū)實際工程案例，結(jié)合現(xiàn)場實測，采用彈塑性有限元數(shù)值分析方法，對鄰近樁基在堆載作用下的影響進行分析研究。

1工程概況

廣州東沙至新聯(lián)高速公路高架橋梁下部采用墩柱承臺和樁基結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)。樁采用鉆孔灌注樁，直徑為1200mm，樁長40～50m，持力層為中風化砂礫巖，淺部土層多為粘土，淤泥質(zhì)粘土，粉質(zhì)粘土等軟土層(見圖1)。樁間距為3.2m，承臺長×寬×高為5.4m×2.2m×1.8m。

圖1　堆載示意圖Figure 1　Layout of surcharge

場地屬于軟土堆積土，分層土詳見表1。

孔隙潛水位較高，富存于表層軟土層中。淺層粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)保水性、透水性均較差；填土富透水性較好，水量較大。在勘探深度范圍內(nèi)無承壓水?？辈鞙y得地下水位埋深0.5～1m范圍。潛水位隨著氣候、季節(jié)、地表水、潮汐等因素影響而變化，以蒸發(fā)方式排泄。計算時按照0.5m水位考慮。

表1 物理力學指標統(tǒng)計表Table1 Physicalandmechanicalparameters分層代號巖土名稱重度/(kN·m-3)壓縮模量/MPa粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)①填土18.84.721.87.1②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土17.21.87.51.3③1-1粉質(zhì)粘土19.55.935.813.1③2'粉土18.99.415.426.7④1-1粘土19.96.132.86.7⑤3-1粉砂19.012.28.924.3⑥2-1圓礫20.120.2030.0⑦中風化砂礫巖23.0500.0100.040.0

橋梁建成后2a，在沿線橋墩一側(cè)因景觀需要須填筑土方，沿橋墩縱向220m分布，設(shè)計最高堆載達5m，最高點距離樁基約20m。出于保護橋墩的需要，在堆土過程中進行了監(jiān)測。一側(cè)局部堆到4m高度橋墩下部產(chǎn)生水平位移15.47mm，橋墩頂部產(chǎn)生15.58mm，達到設(shè)計預(yù)警限值，亟需停止施工，并對堆載施工進行進一步論證。

2計算分析

為了論證堆載作用對橋梁樁基位移的影響，本文建立數(shù)值分析模型(見圖2)，因?qū)嶋H工況沿著長條形分布可以簡化為平面應(yīng)變問題。樁體、承臺采用梁單元模擬，土體采用高精度的15節(jié)點三角形單元離散。為了減小邊界影響，模型寬度左右各延伸80m，高度取80m。樁基長度45m，承臺埋深3m，承臺頂部荷載為5560kN。計算中，考慮到轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變問題，樁采用等效剛度法可簡化為h厚的梁：

式中： d為樁直徑；bk為樁分擔的土體寬度。

圖2　有限元模型示意圖Figure 2　Layout of FEM model

圖3　固結(jié)儀實驗剛度定義Figure 3　Definition of stiffness by consolidation test apparatus

圖4　標準排水三軸試驗主加載下雙曲型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Figure 4　Hyperbolic stress-strain relationship of standard drainage three axis test

軟土的滲透系數(shù)較小，堆載中易產(chǎn)生較大的超孔隙水壓力，從而使土體變形較大，結(jié)構(gòu)的側(cè)向壓力也會較大，這一現(xiàn)象為土體的不排水效應(yīng)。計算中須考慮土體在短期加載中的不排水效應(yīng)，這一效應(yīng)是軟土中土體的特有效應(yīng)，超孔隙水壓力對結(jié)構(gòu)的不利作用會放大。有限元計算中的剛度矩陣包含了水和土的組合剛度，將土當做土架和水的整體不排水材料，體積模量將非常大，接近于不可壓縮狀態(tài)，如此可以近似模擬軟土在三向應(yīng)力狀態(tài)下的不排水現(xiàn)象。

根據(jù)現(xiàn)場施工狀態(tài)，分析不同工況對橋墩樁基的影響，本文擬分析不同堆土高度，堆土距離，兩側(cè)堆土。

3計算結(jié)果分析

3．1墩基結(jié)果分析

在監(jiān)測墩基位置，堆土高度約4m，坡頂距離樁基20m，坡度1∶2.5。堆土作用下，墩柱發(fā)生了水平向偏移，橋墩下部產(chǎn)生水平位移15.47mm，橋墩頂部產(chǎn)生15.58mm，豎向變形1.01mm，因此承臺呈現(xiàn)水平變形趨勢，傾斜度可以忽略。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可見，樁頂保持水平，樁身整體發(fā)生變形，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層與較硬的粉土層交接處變形有一定的突變(反彎點)。其變形大小和變形形態(tài)與監(jiān)測結(jié)果接近，計算參數(shù)和工況與實際較為吻合(見圖5)。

圖5　橋墩樁基水平變形圖Figure 5　Horizontal deformation of pile foundation of bridge pier

樁基的內(nèi)力圖見圖6，遠離堆載側(cè)的樁基彎矩增加232.7kNm/m，增加27.6%，靠近堆載側(cè)的樁基彎矩減小99.3kNm/m，減小了16.3%，樁基按偏壓計算，增加的彎矩對與樁基的裂縫增長可以忽略?？紤]到橋梁采用普通板式橡膠支座GJZ500×500型，厚度t=70mm，根據(jù)《公路橋梁板式橡膠支座規(guī)格系列》[7]允許最大水平位移量Δl1=22.5mm，因此考慮到安全系數(shù)K=2.0，本項目允許墩基水平變形為11.2mm。

圖6　堆載前和堆載后樁基彎矩Figure 6　Bending moment of pile before surcharge and pile after surcharge

3．2堆土尺寸分析

為了保護墩基的安全，對景觀堆土設(shè)計方案須作出變更，為此須通過數(shù)值分析方法求出最合理的堆土尺寸方案，便于景觀設(shè)計的選擇。堆土對橋墩的影響因素很多，包括堆土的坡度，堆土底部與樁基的距離，堆土頂部與樁基的距離，堆土的時空效應(yīng)，降水影響，堆土的高度等，篇幅限制，選取最核心的堆土的高度(H)和堆土頂部與樁基的距離(L)為變量，分析對墩樁水平位移的影響程度，堆土坡底保持與樁基距離為10m，堆土采用一次性堆土，地下水位不變。

根據(jù)計算結(jié)果列出關(guān)系見表2，由表2可見: 堆土高度對墩基影響較大，高度5m情況下均不滿足墩基的水平變形限值，高度4m情況下堆土坡頂須超過35m方可滿足要求。堆土3m以下變形均滿足要求。堆土距離樁基較近時(20,25m)對樁基影響較大，距離較遠時影響較小，其影響權(quán)重比堆土高度要小。由于景觀設(shè)計需求，不能太過遠離樁基，且要保持層次美觀需求，對堆土高度不可過低，因此可以選擇4m堆高，距離30m。

表2 墩基水平位移與堆土關(guān)系表Table2 RelationshipofpierhorizontaldisplacementandsurchargeH/mL/m2025303525.765.394.344.10310.419.647.446.01415.7014.9611.019.25522.5219.2315.3413.08 注:陰影為不滿足限值。

3．3對稱堆土分析

為了盡量提高堆土高度，滿足景觀設(shè)計方案，提出采用對稱堆土。兩側(cè)同時先堆土2m高，然后再在設(shè)計位置處堆載3m高，坡頂距離樁基30m。這一工況在土體為彈性情況下等效為一側(cè)堆載3m高，因此如果土體采用常規(guī)的摩爾-庫倫(M-C)、德魯克-普拉格(D-P)理想彈塑性本構(gòu)模型將與這一等效計算結(jié)果相仿。本分析采用硬化土模型，為彈塑性本構(gòu)模型，與這一等效并不相同(見圖7，圖8)。

圖7　對稱堆載2 m后單側(cè)堆載3 mFigure 7　symmetrical loading of 2 m following by unilateral loading of 3 m

圖8　單側(cè)堆載3 m墩基和對稱堆載2 m后單側(cè)堆載3 m墩基水平變形Figure 8　Horizontal deformation by unilateral loading of 3 m and symmetrical loading of 2 m following by unilateral loading of 3 m

由對比圖可見，單側(cè)堆載3m和堆成堆載后再堆載3m對于墩基的變形影響是不同的，對稱堆載并沒有預(yù)想的平衡兩側(cè)土體變形趨勢的作用，增大了向另外一側(cè)變形的趨勢。根據(jù)硬化土雙曲線應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系可知，隨著土體偏應(yīng)力的增大，土體的變形模量減小，因此先對稱大面積堆載2m后，土中的豎向應(yīng)力水平顯著增大，總體位移也會增大。而彈性本構(gòu)關(guān)系中變形模量隨著應(yīng)力水平的增大不會變化，所以不會有這種現(xiàn)象。這樣的雙曲線本構(gòu)關(guān)系是對實際土體排水三軸試驗的較好的模擬，實際土體在大面積堆載之后，短期內(nèi)再施加不對稱堆載會導(dǎo)致土體塑性變形較大，甚至有局部失穩(wěn)破壞的風險，因此對于這類堆載問題謹慎采取對稱堆載的用以平衡變形。

4結(jié)論

本文以廣州東沙至新聯(lián)高速公路軟土地區(qū)實際工程監(jiān)測為依據(jù)，通過對高架橋墩側(cè)堆載的施工工況分析，采用數(shù)值方法，對堆載施工過程進行了詳盡的預(yù)測性分析。得出如下結(jié)論：

① 單側(cè)堆載，樁基將產(chǎn)生側(cè)向變形，水平變形占主導(dǎo)，豎向變形不足以引起橋墩的偏轉(zhuǎn)，上部結(jié)構(gòu)保持直立，樁基的發(fā)生S形變形，反彎點在軟土與硬土交界處[8]。

② 軟土地區(qū)高架橋墩樁基的水平變形產(chǎn)生的內(nèi)力在樁頂最大，樁身較小，總體彎矩不足以引起樁頂破壞或者裂縫?？刂贫栈冃蔚南拗茥l件在于橋梁支座的變形要求。

③ 軟土地區(qū)堆載屬于短期加載，存在不排水效應(yīng)，土體超孔隙水壓力較大，對鄰近結(jié)構(gòu)構(gòu)成威脅。堆載須考慮有效排水，人工固結(jié)等措施減少超孔隙水壓力。

④ 大面積堆載的土體高度和坡頂距離對于樁基變形和內(nèi)力影響較大，應(yīng)著重控制堆土高度和距離。

⑤ 對稱堆載增加土層應(yīng)力水平，對土體變形和樁基內(nèi)力影響較大，不應(yīng)采用對稱堆載方式平衡樁基變形。

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NumericalAnalysisonInfluenceofPitExcavationonAdjacentBridgeCappedPilesGroup

SHAOMan

(HunanCommunicationPlanning，SurveyandDesignInstitute,Changsha,Hunan410008,China)

[Abstract]In view of the Guangdong soft soil area, by using finite element method，the paper presents study on the additional bending moment and deformation of viaduct pile caps caused by cumulative soil in Dongsha,GuangDong-Xinlian Highway project. The hight of the surcharge, the distance from piles of the surcharge, symmetricalsurcharge load have been analysed. Thensome effective engineering controlling measures have been put forward on the influence of surcharge load on adjacent viaduct

[Key words]finite element method; foundation pit; deflection curves; controlling measure

[收稿日期]2016-01-15

[作者簡介]邵曼(1982-)，女，湖南岳陽人，工程碩士，從事高速公路橋梁設(shè)計研究工作。

[中圖分類號]U 445.7+5

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)03-0212-04