軟弱土層深度對臨近橋梁影響研究

李思江，孟維正

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

我國地域遼闊，土質(zhì)情況復(fù)雜，在沿海、沿河地區(qū)以及地下水較淺地區(qū)存在大量軟土，其天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低、滲透性差、靈敏度高以及流變性顯著等特性導致其工程性質(zhì)較差，因此在軟土地基上進行施工面臨諸多困難、施工難度較大[1-2]。TAVENAS F、Springman S M、MALEK M SMADI等人研究發(fā)現(xiàn)在軟土地區(qū)進行工程建設(shè)時，周邊若同時進行堆載工程，則正在進行中的工程建筑將會出現(xiàn)較大的水平形變，且當變形過大超出限值時還會影響結(jié)構(gòu)物的正常使用[3-5]。金宗川、張坤、楊敏等人通過工程實踐的結(jié)果也證明，橋梁工程在堆載工程的作用下，堆載附近的軟土會產(chǎn)生較大的形變，進而致使臨近的橋梁樁基產(chǎn)生較大形變，影響橋梁的通行安全[6-8]。

本文以福建某公路橋為背景主要研究不同軟弱土層深度對橋梁造成的影響，分析不同深度下橋梁1#樁柱及梁體的位移和彎矩情況。

1 計算模型說明

整體模型共有兩聯(lián)梁體0#臺～4#樁柱之間為第一聯(lián)，4#樁柱～9#樁柱處為第二聯(lián)梁。各樁柱均為嵌巖樁，其中1#樁長61 m，各墩柱均為4.5 m高。

按地勘資料建立后土層分布情況如下：0#臺處采用群樁加固，土質(zhì)較好；1號樁處土層由上至下分布為：2 m黏土層、39 m淤泥、4 m卵石土、2 m淤泥、4 m卵石土、2 m淤泥、2 m卵石土、4 m強風化凝灰?guī)r、13 m中風化凝灰?guī)r。堆載在橋梁左側(cè)，即1-0#樁柱側(cè)，土體模型三維展示如圖1所示。

圖1 原始模型土層分布模型(三維圖)

但本文主要分析軟弱土層深度對橋梁的影響。因此在所有參數(shù)不變的情況下，僅改變土層分布的情況。具體參數(shù)設(shè)置如下：

(1)土體單元選取為實體單元，參數(shù)按表1選取。

表1 土參數(shù)選取

(2)墩樁設(shè)置為結(jié)構(gòu)單元，上部蓋梁設(shè)置為實體單元，參數(shù)選取參數(shù)見表2、表3。

(3)堆載高度根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)選為7 m。

(4)堆載方式采用從左至右依次堆載的方式。

(5)堆載距離均為堆載坡腳與1～0#樁柱(即模型中左樁)中心相距7 m。

表2 墩、樁參數(shù)選取

表3 上部結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

(6)土層分布主要按照圖1中土層分布設(shè)置，三個模型淤泥土層厚度分別取12 m、32 m、52 m，中層為強風化凝灰?guī)r，最底層為強風化凝灰?guī)r，具體土層分布如圖2～圖4所示。

圖2 軟弱土層深度12 m(1#樁柱處剖面圖)

圖3 軟弱土層深度32 m(1#樁柱處剖面圖)

圖4 軟弱土層深度52 m(1#樁柱處剖面圖)

2 軟土深度對樁柱位移影響

由圖5、圖6可以發(fā)現(xiàn)：軟弱土層的深度會直接影響樁體的橫橋向位移。當淤泥深度為12 m時，1～0#樁柱的最大側(cè)向位移為2.33 cm；當淤泥深度為32 m時，1～0#樁柱的最大側(cè)向位移為25.98 cm；當淤泥深度為52 m時，1～0#樁柱的最大側(cè)向位移最大，為49.16 cm。由此得出在相同堆載的作用下，軟弱土層深度越深，橋梁樁基側(cè)向位移越大。

對比各軟弱土層深度1#樁柱的側(cè)向位移可以發(fā)現(xiàn)：

(1)1#樁柱在土體中的整體變形趨勢在各種不同淤泥土層深度下有較大差異，隨著淤泥土層深度的加深，樁身最大位移隨之增大，且最大位移的高程隨淤泥土層深度的加深下移；

(2)樁體位移零點的位置隨淤泥土層深度的加深下移，淤泥深度為12 m時，在樁高程-26.5 m處，樁基側(cè)向位移為零；淤泥深度為32 m時，在樁高程-47.5 m處，樁基側(cè)向位移為零；淤泥深度為52 m時，在樁底即樁高程-61 m處，樁基側(cè)向位移為零。由此可以發(fā)現(xiàn)在本工況的情況下樁柱側(cè)向位移為0的位置約在淤泥地層下方15 m左右的位置。

圖5 1～0#樁柱側(cè)向位移

圖6 1～1#樁柱側(cè)向位移

3 軟土深度對樁柱彎矩影響

由圖7～圖8可以發(fā)現(xiàn)：堆載工程雖對附近的橋梁樁基彎矩整體影響較大，但在淤泥深度較淺為12 m時樁基的彎矩變化非常小。但當淤泥深度為32 m時，在同樣的堆載情況下樁基彎矩大小迅速增大。當淤泥深度為52 m時，較淤泥深度32 m時樁底彎矩增幅最大。由以下兩幅圖可以明顯的發(fā)現(xiàn)樁在不同軟弱土層深度下彎矩的不同，在軟土地基中樁柱在堆載的作用下受到較大的主動土壓力，導致正向彎矩增大，在下部土質(zhì)較好的凝灰?guī)r土層中土層本身變形較小，主動土壓力較小且被動土壓力較大，因此樁柱在此種土層中彎矩逐漸減小，為樁柱提供了足夠的支承反力。

對比各軟弱土層深度下1#樁柱的彎矩圖可以發(fā)現(xiàn)以下明顯規(guī)律：

(1)樁柱的彎矩隨軟弱土層深度的增加而增大，軟弱土層深度越深，土對樁柱產(chǎn)生的影響越大，樁身彎矩大小越大。

(2)隨淤泥深度的增加，樁柱最大正彎矩的樁高程隨之下移，說明樁柱受主動土壓力最大的位置隨淤泥深度的增加而不斷下移。

圖7 1～0#樁柱橫橋向彎矩

4 軟土深度對梁位移影響

以0#橋臺為縱橋向零點，各墩柱間、墩柱與橋臺間距均為30 m，取梁中心點的側(cè)向位移數(shù)據(jù)，繪制圖9、圖10。

由圖9、圖10中曲線可以看出，當淤泥深度較淺為12 m時梁整體的側(cè)向位移也較小，在同樣的堆載情況下，若淤泥深度較淺，橋體所受影響也較小，不會影響橋體的正常使用；當淤泥深度為32 m時，梁體的側(cè)向位移相對深度為12 m時明顯增大，4#樁柱處梁體側(cè)向位移增大最為明顯，由5 cm增大到17 cm；當淤泥深度為52 m時，0#臺處樁基采用管樁群加固，因此橋臺上梁體的位移也相對較小側(cè)向位移為6.5 cm，4#樁柱處側(cè)向位移為23 cm，此時梁體在蓋梁平面已經(jīng)形成明顯的平面轉(zhuǎn)動的趨勢。通過梁體的變形可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

(1)在堆載不變的情況下，隨淤泥深度的增加，梁體的側(cè)向位移迅速增大。

(2)第一聯(lián)梁在4#墩柱處梁體側(cè)向位移最大，0#臺處位移最小，梁體整體呈現(xiàn)出在蓋梁平面轉(zhuǎn)動的趨勢。

圖9 梁側(cè)向位移(兩聯(lián)梁)

圖10 梁側(cè)向位移(第一聯(lián)梁)

5 結(jié)論

本文通過FLAC3D軟件進行數(shù)值建模分析，計算了不同軟土深度對橋梁的影響：隨淤泥土層深度的加深，第一聯(lián)梁體最大位移、樁身最大彎矩及側(cè)向位移隨之增大，且最大位移及彎矩出現(xiàn)的位置隨淤泥土層深度的加深下移，說明隨淤泥深度的加深，軟弱土體主動土壓力最大的位置下移。并且在本模型工況的情況下樁柱側(cè)向位移為0的位置約在淤泥地層下方15 m左右的位置。因此堆載工程對周圍結(jié)構(gòu)物的影響因素中，軟弱土層深度是非常重要的因素。在軟土地基上若施工堆載工程，則應(yīng)當先考察現(xiàn)場軟土層深度，再進行堆載工程最為合理。