河床拋石荷載對既有橋墩結構的影響分析

鄒永祥，謝富明

（1、北京市市政工程設計研究總院有限公司 北京 100080；2、廣州大學土木工程學院 廣州 510006）

0 引言

隨著公用與民用設施建設的不斷發(fā)展，越來越多的城市內河受到災難性的污染，嚴重影響著城鎮(zhèn)居民的正常健康生活。為提供更加舒適便利的居住環(huán)境，相應部門需要對河道進行開挖和整治［1］。然而，河涌整治工程場地周邊輪廓常與高架橋、地鐵隧道等基礎設施相交。同時，當開挖土體作為棄土堆載時，將改變一定范圍內土層的應力狀態(tài)，可能導致橋墩與上部結構出現(xiàn)傾斜或偏移，甚至影響周圍構筑物的正常運營使用安全。我國東南沿海地區(qū)分布著大量軟弱地層，受施工擾動影響大，變形控制要求嚴格［2-4］。在施工過程中不僅要保證本工程自身的結構穩(wěn)定性，更要保證周圍構筑物的安全性，不得超出規(guī)定的限定值，否則后果不堪設想［5-7］。

在施工前對工程場地與荷載進行計算分析，在結構相對不利位置處采取有效的加固措施能在一定程度上減少構件變形與破壞［8-10］。由于傳統(tǒng)彈性理論分析在面對復雜工程情況時，無法精確得出變形破壞情況，因此在目前工程設計階段中一般采用數(shù)值模擬方法進行計算與驗證。鄭剛等人［11］采用數(shù)值分析方法研究了基坑開挖對鄰近橋墩結構的水平側移和彎矩的影響，并提出相關加固措施與監(jiān)測建議；孟繁增等人［12］應用大型計算軟件PLAS對鄰近高鐵橋墩基坑開挖工程進行數(shù)值試驗，將計算結果與橋墩隆起變形實時監(jiān)測進行對比分析；黃文彬等人［13］結合深圳市某住宅樓基坑工程，基于有限元數(shù)值模擬方法，探究了基坑開挖引起的土體變形可能對地鐵橋墩造成的影響。

目前，各專家學者對土體開挖卸載關注度較高，而土的堆載變形卻鮮有耳聞。對此，本文結合深圳市寶安區(qū)某河涌綜合整治案例，利用二維數(shù)值模擬計算方法及實時監(jiān)測變形分析，研究河涌開挖時拋石擠淤和堆土荷載對鄰近橋墩變形與荷載的影響。同時，對比數(shù)值模擬試驗結果和實際監(jiān)測變形情況，進一步驗證模型的合理性。該成果對今后類似工程實際問題的處理具有一定的指導意義。

1 工程簡介

1.1 工程概況

該河涌整治工程位于深圳市龍華區(qū)德豐村附近，位于珠江口水系最北段，流域面積2.22 km2，全長3.70 km。河道沿線原始地貌形態(tài)屬于深圳市西部的沖積海積平原地貌小區(qū)，后經工程建設改造后，地形相對較為平坦，地面高程3～4 m，河床高程-0.5～0.5 m，河道寬約4～20 m，整治工程河道整治全長約為2.035 km。

該河涌整治施工區(qū)域在平面上與已建松崗一號橋有一定相交，松崗一號橋部分樁基承臺在河道紅線范圍內，其中11#、12#、13#墩柱一半位于河岸，一半位于 河 底，11#～13#墩 樁 基 直 徑 為2.4 m，樁 長39.9～43.7 m。平面位置如圖1 所示。該段需要施工的內容依次為河底拋石擠淤、岸邊拋石護腳、坡面砌塊護面等。在項目場地中存在深厚軟弱土層，淤泥平均厚度高達13 m，軟弱土層的存在導致拋石擠淤施工時產生較大附加應力并加劇水平方向位移，極易引起局部土層與鄰近橋墩產生不容忽視的位移量。

圖1 河道與橋墩平面關系圖Fig.1 Plane Diagram of Relationship Between River and Pier

1.2 工程重點

在施工過程中，河道開挖和棄土堆載將擾動軟土地層并改變土體的應力狀態(tài)，根據位移傳遞規(guī)律計算可知緊鄰的橋梁橋墩基礎勢必受到相應影響，但傳統(tǒng)彈性理論無法準確計算周邊建筑物隨土體開挖過程的變形情況，因此，確保橋梁橋墩變形在允許范圍內是一個極具挑戰(zhàn)性的難題。需要重點計算和分析拋石擠淤、橋墩兩側堆石施工對橋墩的變形影響，并對比實時監(jiān)測結果來驗證數(shù)值模擬結果的準確性，保證橋梁的正常安全運營?？紤]該工程最不利條件，選取12號右側橋墩建立模型計算分析，如圖2所示。

圖2 12號橋墩剖面圖Fig.2 Profile of Pier No.12 （mm）

2 數(shù)值模型的建立

基于河涌綜合整治工程水工結構工程設計施工圖，采用有限元方法，借助巖土工程專用有限元軟件MIDAS∕NX 開 展 河 涌 綜 合 整 治施工全過程模擬，建立二維模型進行計算，分析拋石擠淤對既有橋墩結構的作用和橋墩側向堆石誘發(fā)的土壓力變化對既有橋墩結構的影響，模型網格如圖3所示。

圖3 模型網格Fig.3 Model Grid

需要同時分析拋石擠淤、橋墩兩側堆石對既有橋墩結構力學行為的影響，厘清河涌綜合整治施工時，鄰近既有橋墩產生的位移變形和結構力學效應。

在總體模型計算區(qū)域的選取中，綜合考慮了拋石擠淤施工、鄰近既有橋梁墩臺引起的邊界效應，同時結合工程實踐經驗，確定模型尺寸長與寬分別為30 m、20 m。計算模型側向施加水平約束，底部為豎向約束，頂面為自由面，不加約束。

2.1 地質條件

擬建工程沿線的特殊性巖土主要有成分復雜的雜填土、軟土（淤泥）與中粗砂。本次分析的土層參數(shù)及本構關系如表1所示。

表1 土層物理力學參數(shù)Tab.1 Mechanical Parameters of Soils

2.2 設計工況

本模型試驗共設4 個分析步，分別對應4 個施工步驟，具體情況如表2 所示。第三個分析步主要用于評估拋石擠淤施工對既有橋梁結構的影響，考慮了拋石擠淤施工引起的增量位移，故需要對既有橋梁結構施工和初始應力場引起的位移進行平衡。第4個工況關注的是橋墩兩側堆石施工對既有橋墩結構的影響，主要考慮的是橋墩兩側堆石荷載引起的位移及其誘發(fā)的土壓力交替變化情況。

表2 模擬施工步驟Tab.2 Simulated Construction Steps

3 橋墩結構力學響應

3.1 變形結果分析

采用數(shù)值模擬方法計算分析河涌整治各階段下鄰近橋墩的變形情況，判定變形是否符合控制要求，需要重點分析拋石擠淤和橋墩兩側堆石對橋墩的影響。相應規(guī)范指出，橋墩水平位移控制值為3 mm，豎向位移控制值為15 mm，定義位移指向坐標正軸為正，反之為負。

3.1.1 拋石擠淤對既有橋墩結構的位移影響分析

圖4 為拋石擠淤施工后的既有橋墩位移云圖，由于拋石擠淤和既有橋墩結構距離較近，施工過程中產生的附加應力向水平方向傳播時，必然引起淤泥土層的蠕動，由于拋石擠淤體的大荷載量，橋墩結構將受擠淤產生的附加應力，當其足夠大時將導致橋墩結構周圍淤泥層產生一定變形。拋石施工對豎向位移的影響相對較小，橋墩位移主要體現(xiàn)在水平方向上。

根據既有橋墩位移云圖4，可列出拋石擠淤施工完成后不同方向最大位移結果如下：工況3的X向峰值位移分別1.22 mm、0 mm；Y向峰值位移分別為0.06 mm、-0.11 mm。

圖4 工況3拋石擠淤施工后既有橋墩位移Fig.4 The Bridge Pier Displacement Existed after the Construction of Riprap Silting in Working Condition 3

結果表明，既有橋梁結構的水平位移極值為1.22 mm，出現(xiàn)在橋墩上柱頂部。橋墩豎向位移極值為0.11 mm，由拋石擠淤產生的附加應力所致，出現(xiàn)在淤泥土層邊界處。

3.1.2 側向堆石對既有橋墩結構的位移影響分析

圖5為橋墩側向堆石施工后引起的既有橋墩位移云圖，堆石施工會改變橋墩位移場和使橋墩側向壓力增加，必然會對既有橋墩產生影響。由于堆石在橋墩兩側，容易使土體發(fā)生水平側移，使樁撓曲、水平變形，產生較大的彎矩；橋墩豎向位移的產生是由于土層受到堆石豎向荷載的影響，樁身產生負摩阻力，進而產生不均勻沉降。

圖5 工況4橋墩兩側堆石施工后既有橋墩位移Fig.5 The Bridge Pier Displacement Existed after Rockfill Construction on both Sides of Bridge Pier in working Condition 4

根據圖5，提取可得橋墩兩側堆石施工完成后不同方向最大位移結果匯總如下：工況4的X向峰值位移分別0 mm、-1.53 mm；Y向峰值位移分別為0.02 mm、-0.21 mm。結果表明，既有橋墩結構的水平位移極值為1.53 mm，出現(xiàn)在橋墩上柱柱頂處。橋墩豎向位移極值為0.21 mm，由拋石擠淤產生附加應力所致，出現(xiàn)在淤泥土層邊界處。

為保證河涌整治期間松崗一號橋保持正常運營及其橋墩結構安全，對其鄰近橋墩進行現(xiàn)場檢測。本項目采用精密水準測量儀（拓普康DL101C）、電子全站儀、銦瓦水準標尺、數(shù)字測斜儀等設備對河涌整治過程中橋墩結構的水平、豎向位移變形情況進行全過程監(jiān)測，工程實時監(jiān)測結果與數(shù)值模擬結果如表3所示。

表3 數(shù)值模擬與工程監(jiān)測結果對比Tab.3 Comparison between Numerical Simulation and Engineering Monitoring Results

由表4 可知，堆石荷載對橋墩的變形影響略微大于拋石擠淤施工，在河涌整治過程中，橋墩水平方向受到的變形影響大于豎向，這與倪恒等人［14］的發(fā)現(xiàn)一致。橋墩水平位移極值為1.53 mm，少于規(guī)范的橋樁樁頂水平位移控制值3 mm。橋墩豎向位移極值僅為0.21 mm，遠小于橋樁允許沉降控制值15 mm，結構處于安全狀態(tài)。實際監(jiān)測值與由數(shù)值模擬結果基本重合，進一步證實了模型的可行性，為保證施工過程中橋墩的正常運營，可對橋墩上柱柱頂和淤泥土層邊界處重點監(jiān)測。

3.2 側向堆石誘發(fā)的土壓力分析

橋墩兩側堆石施工時，將會在鄰近橋墩位置處堆積大量棄土，由于堆載位于在橋墩兩側，且兩側堆石體積相當，則受到的堆石土壓力值無較大差距，此時橋墩承受的主要荷載為堆石本身的自重，對橋墩形成側向擠壓，嚴重時會造成結構的破壞，如圖6所示。

圖6 橋墩兩側堆石施工前后既有橋墩應力變化Fig.6 Variation of Stress on Existing Piers before and after Rockfill Construction on both Sides of Piers

根據圖6，提取橋墩兩側堆石施工前后土壓力對比結果，如圖7 所示。土壓力隨著土層深度的增加而增加，最多可達到72.93 kN，堆石前后的土壓力相差不大，在橋墩下柱處，施工后土壓力增加3.18 kN，總體水平較低，對結構的影響不大，即既有橋墩仍處于安全狀態(tài)。

圖7 橋墩兩側堆石施工前后既有橋墩土壓力對比Fig.7 Comparison of Earth Pressure of Existing Piers before and after Rockfill Construction on both Sides of Piers

4 結論與建議

本次分析借助大型有限元軟件建立深圳市寶安區(qū)某河涌綜合整治項目施工全過程二維計算模型，重點分析了拋石擠淤、橋墩兩側堆石對鄰近松崗一號橋既有橋墩結構受力變形特性，并通過實時變形監(jiān)測值和數(shù)值模擬值的對比分析，開展了分析與評估，主要得到如下結論：

⑴橋墩兩側堆石荷載對橋墩變形的影響略大于拋石擠淤施工，其中水平位移極值為1.53 mm，豎向位移極值為0.21 mm，滿足《鐵路橋涵設計規(guī)范：TB 10002—2017》的要求，實時監(jiān)測位移與數(shù)值模擬結果基本保持一致，證實了模型和數(shù)值方法的可行性。

⑵既有橋墩土壓力在兩側堆石施工后會稍微增加，但總體相差不大，對結構的變形影響可以忽略不計。

⑶河道綜合整治項目施工對松崗一號橋既有橋墩結構的影響較少，按原有施工方案進行施工，能確保橋梁既有結構的安全與穩(wěn)定，但根據數(shù)值模擬結果，橋墩上柱柱頂和淤泥土層邊界處變形比較大，需要進行重點監(jiān)測，以保證橋梁的安全運營狀態(tài)。