堆土對既有高速公路橋梁樁基穩(wěn)定性影響分析

林 剛，李運勝，趙 毅

(浙江省地礦勘察院有限公司,浙江 杭州 310012)

1 概述

伴隨我國經(jīng)濟迅速發(fā)展,高速公路需求量日益增加,在高速公路的實際施工過程中,由于地形地貌的起伏或施工空間的限制,會存在大量的挖填方工程,同時伴隨著城市地下空間的快速發(fā)展(如基坑工程、地鐵工程)亦產(chǎn)生了大量的棄土,為處置上述地下工程和挖方工程產(chǎn)生的棄土,在城市高速路附近堆土并修建景觀園林成為可能的處理方式,一方面可以緩解城市大量棄土難以處理的壓力,另一方面可以在堆土地基上修建景觀園林,改善高速公路兩側景觀環(huán)境,為市民提供休憩場所。但是堆土改變了橋梁樁基附近原有地基的受力平衡,引起土體的應力重分布,同時過大的堆土高度和范圍會在樁周產(chǎn)生負摩阻力,造成土體不均勻沉降,堆土在水平向會對樁身產(chǎn)生附加作用,對既有橋墩樁基礎水平承載和變形產(chǎn)生不利影響,嚴重的可威脅橋梁安全[1]。

到目前為止,針對堆土對既有橋梁樁基承載性能的影響,已有學者開展了相關研究。穆保崗等[2]采用ABAQUS軟件,分析了大面積堆載下嵌巖樁承載力性能,結果表明:大面積堆載對橋梁樁基豎向承載能力會顯著降低,堆載產(chǎn)生的負摩阻力使樁身軸力增大,易對樁身造成破壞,堆載產(chǎn)生的水平作用對樁頂影響最大,對中心范圍影響最小;堆載下樁身水平附加應力和土性相關,在土性差的軟土層中,出現(xiàn)局部峰值。王崇淦等[3]采用FLAC3D軟件分析了大面積堆土荷載對既有高鐵橋梁樁基承載性能影響,結果表明大面積堆載造成的土體沉降是影響既有高鐵橋梁樁基承載性能的主要原因。孫茂強[4]采用GeoStudio軟件分析了堆載土體對鄰近樁基的水平位移、應力以及彎矩的影響,結果表明不同分布寬度堆載對樁身水平應力作用規(guī)律基本相同。李志偉等[5]采用有限元分析方法分析了鄰近線路單側堆載及雙側堆載對樁基偏位的影響,結果表明在路堤填土和道路荷載的作用下,位于堆載邊緣的墩柱及基樁均將發(fā)生一定程度的偏位,不對稱堆載是導致橋梁樁基偏位的主要原因,對稱堆載對于控制墩柱及樁基的偏位具有較好的作用,對控制基樁附加彎矩及裂縫寬度均具有明顯效果。聶如松等[6]通過建立三維有限元模型,分析了實際情況下堆載對橋墩變位的影響,其結果與實測數(shù)據(jù)吻合良好,同時研究了堆載與橋墩之間距離對橋墩群樁基礎的內(nèi)力和變位的影響規(guī)律。馬遠剛等[7]采用有限差分法分析了堆載對橋梁被動樁的影響,結果表明堆載導致橋墩偏移,墩頂橫向偏移,基樁產(chǎn)生了較大偏移和彎矩,樁頂軸力和樁身軸力分布不均,并產(chǎn)生不同程度的負摩阻力(距堆載越近負摩阻力越大)。侍剛等[8]采用MIDAS Civil軟件分析墩梁錯位病害發(fā)生的原因及影響程度,結果表明處于軟土地基的橋梁在不平衡堆土的作用下使基礎和橋墩出現(xiàn)嚴重橫向偏位,墩頂防落梁擋塊被擠壞。王曉佳等[9]采用MidasGTS NX軟件分析土體堆載對橋梁基礎沉降及側移的影響,結果表明在地質條件多為粉土、黏土的軟土地區(qū),大面積堆載將會使既有橋墩基礎產(chǎn)生過大的沉降和側移,且側移量往往更大。通過以上文獻調(diào)研可知,現(xiàn)有研究多利用有限元法研究堆載對臨近橋梁樁基變形影響,主要集中在大面積堆載、單雙側堆土對比等方面,且以往研究多單一地建立堆土-地基-樁基有限元模型,未計入多種組合效應下橋梁上部結構對樁基承載力的影響,結合規(guī)范定量評價樁基承載力損失及考慮堆土作用的樁-土體系穩(wěn)定性評價方面的研究較少。

本文以杭州某機場高速公路為依托,結合現(xiàn)場地質勘查報告和設計資料,采用Midas有限元軟件建立了高架橋箱梁三維模型,在橋面上施加移動荷載,獲取各種組合效應下高架橋墩頂反力,同時采用Plaxis 3D有限元軟件建立橋墩-承臺-樁基-地基下部結構,并將各種組合效應下的高架橋墩頂反力作用至下部結構,分析了堆土作用下的橋梁樁基變形和內(nèi)力變化規(guī)律,最后依據(jù)有限元計算結果并參考規(guī)范,從單樁豎向承載力、正截面抗壓、斜截面抗剪和裂縫寬度等方面,分析了堆土作用對既有高速公路橋梁樁基的承載性能的影響[10]。

2 工程概況

選取案例為浙江省杭州市內(nèi)某高架橋高速公路,該工程內(nèi)地貌類型單一,為沖海積平原,地勢平坦,較開闊,平原區(qū)地面高程一般在5.1 m～7.1 m。工作區(qū)在現(xiàn)狀除了道路以外,原村莊均已拆遷、農(nóng)田也多已廢棄,根據(jù)收集資料,工作區(qū)表層有厚度不一的原始填土。地表為層厚不等的填土;淺部地層為沖海積相、沖積相,灰色、灰黃色粉土、粉砂,稍密～中密,厚約9.2 m～18.3 m;中部為海積流塑淤泥質土,厚度約4.8 m～16.3 m,具層理,夾薄層粉土、粉細砂;其下為灰綠色、灰黃色沖湖積相,可塑～硬塑粉質黏土,厚度1.8 m～9.6 m;中下部為沖積粉細砂、圓礫、卵石等,灰色、灰黃色,中密～密實狀,厚度較大,厚度約 19.5 m～35.4 m;底部為白堊系砂礫巖,局部差異風化明顯,中風化層夾強風化碎塊狀,偶夾粉砂巖。該案例處于中低緯度,屬東亞季風型濕潤氣候,四季分明,雨量充沛。工作區(qū)附近的河流呈網(wǎng)格狀,密度較大,水流平緩,受降雨和地下潛水補給。

2.1 堆土情況

由于設計綠化需要,在地面道路南、北側兩側部分地段進行了人工堆土綠化,設計堆土高度在5.28 m～13.83 m之間,堆土邊緣距機場路高架線路中心最近距離在22 m～75.5 m之間,各區(qū)塊堆土寬度在63 m～252 m之間。本文選取一個代表性截面進行計算分析。北側堆土最大設計高度為5.75 m,堆土邊緣距機場路高架橋中心線約為30 m;南側堆土最大設計高度約7.83 m,堆土邊緣距機場路高架橋中心線約為25 m,兩側堆土示意圖如圖1,圖2所示。

選取截面土層參數(shù)表如表1所示。

表1 土層層厚及重度參數(shù)表

2.2 橋梁特性

本截面承臺類型為9樁承臺,橋墩厚、寬、高分別為2.2 m，2.5 m，12.95 m,樁基直徑為1.5 m,樁長為57.8 m,樁間距為3.75 m,承臺長、寬、高分別為10 m，10 m，3 m,該高架橋結構圖如圖3所示。樁身材料為C30混凝土,1.5 m樁徑樁身縱筋型號為HRB335,樁頂以下20 m鋼筋為28Φ25,樁頂以下20 m～35 m鋼筋為14Φ25,螺旋箍筋型號為HPB300,樁頂以下5 m為加密區(qū)Φ10@100 mm,樁頂以下5 m～35 m為Φ10@200 mm。

截面四跨連續(xù)梁橋的墩樁參數(shù)如表2所示。

表2 截面四跨連續(xù)梁橋的墩樁參數(shù)

3 計算模型

3.1 上部橋梁模型及墩頂反力計算

為計算機場高速高架橋上部結構傳至橋墩和群樁基礎的恒、活載,本文采用Midas軟件建立高架橋箱梁三維模型,并在橋面上施加移動荷載,同時考慮了混凝土徐變與收縮、溫度及基礎不均勻沉降等因素對高架橋墩頂反力的影響。參考《公路鋼筋混凝土及預應力橋涵設計規(guī)范》,依據(jù)最不利布置原則對橫、活載種類各種組合效應進行計算。橋梁模型為四跨連續(xù)梁橋,箱梁為預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁,橋跨布置為4×35 m,橋寬33 m,梁高為2.4 m,橫截面為單箱五室。箱梁頂、底板平行,懸臂長3.5 m,頂板厚0.3 m～0.6 m,底板厚0.28 m～58 m,腹板厚0.5 m～0.9 m,中橫梁厚3.0 m,端橫梁厚1.8 m,跨中和支點處斷面如圖4,圖5所示。

橋梁計算軟件采用Midas Civil,全橋共75個節(jié)點,64個梁單元,全橋有限元模型如圖6所示。采用Midas Civil軟件建立高架橋箱梁三維模型,并在橋面上施加移動荷載,同時考慮了混凝土徐變與收縮、溫度及基礎不均勻沉降等因素對高架橋墩頂反力的影響。通過計算,求得三種組合效應下墩頂反力,結果如表3所示。

表3 既有恒、活載作用下樁基內(nèi)力

樁基直徑為1.5 m,樁基主筋直徑為25 mm的二級鋼,主筋共28根,采用橋梁通計算樁基強度及裂縫,樁基正截面抗壓承載力為20 060.5 kN;裂縫0.04 mm,小于0.2 mm,故滿足要求,且安全儲備較大。

3.2 堆土-線路結構有限元模型及計算

本節(jié)采用Plaxis 3D有限元軟件建立了堆土-線路結構有限元模型,地基和土堆采用實體單元離散,土體本構模型采用小應變土體硬化高級本構模型(HSS模型)。橋墩為C40鋼筋混凝土,采用板單元離散,采用線彈性本構。承臺為C30鋼筋混凝土,采用實體單元離散,采用線彈性本構?；鶚稙镃30鋼筋混凝土,采用Embedded樁單元模擬,該單元類型自帶樁土界面功能,可設置樁側極限側摩阻力和極限端阻力,適用于樁土相互作用模擬。

土層參數(shù)如表4所示。

表4 不同土層HSS本構模型參數(shù)表

橋墩計算參數(shù)表如表5所示，承臺計算參數(shù)表如表6所示，鉆孔灌注樁計算參數(shù)表如表7所示。

表5 橋墩計算參數(shù)表

表6 承臺計算參數(shù)表

表7 鉆孔灌注樁計算參數(shù)表

地基模型深度尺寸取為樁底以下50 m,地基模型長度方向(線路縱向)各由連續(xù)梁兩端承臺外延25 m,地基模型寬度方向(垂直于線路延伸方向)則在堆土寬度外邊緣外延25 m,從而消除模型邊界的影響。模型四側面水平約束設為水平方向固定、豎直方向自由,模型底面的三向自由度均固定,模型三維透視圖如圖7所示。

將算得的墩頂反力組合效應值施加到建立的土堆-線路結構Plaxis 3D有限元模型中,通過4個分析步:1)初始應力場生成;2)激活承臺、橋樁、橋墩和墩頂荷載;3)激活外側堆土;4)進行強度折減分析。計算分析堆土作用下的橋樁變形和內(nèi)力,結果如圖8，表8所示(表中x方向為沿高架橋方向,y方向為垂直高架橋方向)。

表8 截面變形和內(nèi)力統(tǒng)計表

4 計算結果分析

線路附近堆土可能引起樁周土沉降大于樁基沉降,引起樁側負摩阻力,在進行樁基豎向承載力驗算時,需考慮樁側負摩阻力的影響。由于堆土在水平向對樁身產(chǎn)生附加作用,還應驗算樁身正截面抗壓承載力、斜截面抗剪承載力和裂縫寬度是否滿足規(guī)范要求,正截面抗壓承載力和裂縫驗算選取在樁身彎矩最大處,斜截面抗剪承載力驗算選取在樁身最大剪力處。以有限元模型計算結果為基礎,參考《公路橋涵設計通用規(guī)范》[11]、《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》[12]、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》[13]、《混凝土結構設計規(guī)范》[14]分析典型斷面橋梁樁基承載力和裂縫驗算。

4.1 單樁豎向承載力驗算

依據(jù)《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》和地勘報告,開展單樁豎向承載力驗算。樁基參數(shù)如表9所示。

表9 樁基參數(shù) m

側阻計算如表10所示。

表10 樁側阻標準值計算表

單樁負摩阻力計算如下:

其中，Nn為單樁負摩阻力，kN;μ為樁身周長，m;li為中性點以上第i層土層的厚度，m;qik為與li對應的各土層與樁側負摩阻標準值，kPa。樁基持力層為強風化砂礫巖,中性點深度比ln/l0為1。堆土對單樁承載力影響如表11所示。

表11 堆土對單樁承載力影響

4.2 正截面抗壓承載力和裂縫寬度驗算

由于堆土在水平向對樁身產(chǎn)生附加作用,還應驗算樁身正截面抗壓承載力、斜截面抗剪承載力和裂縫寬度是否滿足規(guī)范要求。

正截面抗壓承載力和裂縫驗算選取在樁身彎矩最大處。選取對應承臺角樁進行驗算,樁身最大剪力V為117 kN;樁身最大彎矩M為476 kN·m。驗算截面基本組合內(nèi)力表如表12所示，驗算截面頻遇組合內(nèi)力表如表13所示，正截面抗壓承載力驗算結果如表14所示，裂縫寬度驗算結果如表15所示。

表12 驗算截面基本組合內(nèi)力表

表13 驗算截面頻遇組合內(nèi)力表

表14 正截面抗壓承載力驗算結果

表15 裂縫寬度驗算結果

4.3 斜截面抗剪承載力

抗壓構件斜截面抗剪承載力驗算依據(jù)《混凝土規(guī)范》6.3.15條,樁身圓形截面按照等效慣性矩方柱驗算,驗算位置選取在各典型截面角樁最大剪力位置處,內(nèi)力信息選自截面承臺角樁基本組合內(nèi)力表中最大剪力處的軸力、彎矩和剪力。樁基斜截面抗剪承載力驗算結果如表16所示。

表16 樁基斜截面抗剪承載力驗算結果

斜截面抗剪承載力驗算結果表明:按照構造要求控制配筋,樁基斜截面抗剪承載力驗算通過。

4.4 截面滑動穩(wěn)定性

為進一步分析堆土體、橋梁基礎和地基的整體穩(wěn)定性,本節(jié)建立了各代表性區(qū)塊的三維有限元模型,在上述塑性分析步的基礎上進行強度折減分析,從而獲得南北兩側堆土影響下的地基滑移場和對應的穩(wěn)定性系數(shù)。

在三維有限元模型的基礎上可進行強度折減分析,從而獲得兩側堆土影響下的地基滑移場和對應的穩(wěn)定性系數(shù)。截面滑動破壞面云圖如圖9所示,由圖9可知,截面的滑動面基本位于土堆坡角,未見切穿群樁基礎、連通南北側地基的深層滑動面。穩(wěn)定性系數(shù)為2.143,大于規(guī)范中一級永久邊坡一般工況所要求的滑動穩(wěn)定性系數(shù)1.35?；瑒用嫖恢脼橥炼哑陆歉浇?/p>

5 總結及建議

本文以杭州某機場高架高速路為案例,使用Midas Civil,Plaxis有限元模型軟件計算分析堆土作用下橋梁樁基礎的內(nèi)力和變形規(guī)律,并結合相關設計規(guī)范,依據(jù)計算結果從單樁豎向承載力、樁基正截面抗壓承載力、斜截面抗剪承載力和樁基最大裂縫寬度等方面,分析了堆土對既有高速公路橋梁墩樁基礎承載能力的影響。結論和建議如下。

5.1 結論

1)案例選取地層條件穩(wěn)定單一,四跨連續(xù)梁橋的樁基正截面抗壓承載力為20 060 kN大于樁基豎向力最大值6 402.3 kN,樁頂裂縫寬度為0.04 mm小于0.2 mm,故滿足規(guī)范要求,且安全儲備較大。

2)堆土荷載引起的樁身水平位移最大處在軟土層附近,樁身頂部和位于基巖部分的樁的位移很小，表明近距離堆土會導致樁身水平位移顯著增大,故應嚴格控制堆土和高架橋之間的距離。

3)選取的典型截面規(guī)范驗算結果表明:高架橋樁基豎向承載力大于樁頂豎向作用力,表明樁基豎向承載力滿足要求;樁身彎矩最大位置處的正截面抗壓承載力大于該位置處樁身軸力值,表明正截面抗壓承載力滿足規(guī)范要求;樁基斜截面抗剪承載力按構造要求控制配筋,即可滿足規(guī)范要求。

5.2 建議

1)目前該項目監(jiān)測點僅位于高架橋橋墩和堆土區(qū)域,為更清楚了解線路基礎和結構的受力變形發(fā)展情況,建議增加橋樁裂縫和箱梁接縫監(jiān)測點,并監(jiān)測橋墩兩側深層土體的位移。

2)為保證排水順暢,建議做好堆土場地內(nèi)外的排水系統(tǒng)。