軟土地區(qū)大面積堆載作用下鄰近橋梁墩柱偏位分析研究

張 恒，廖鴻鈞

（1、佛山市交通運(yùn)輸事務(wù)中心 廣東佛山 528000；2、廣東和立土木工程有限公司 廣州 511400）

0 引言

深厚軟土主要由淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)黏土等軟弱土構(gòu)成，軟土層具有含水量高、壓縮系數(shù)高、滲透系數(shù)小、承載能力低、抗剪強(qiáng)度弱及流動性大等特點(diǎn)［1］。我國東南沿海地區(qū)軟土范圍大，軟土主要為海相沉積軟土，厚度最大可達(dá)數(shù)十米，由于城市化的快速發(fā)展，在公路堤岸邊、橋下空間進(jìn)行填土造陸的現(xiàn)象越來越普遍，然而大面積堆載對鄰近橋梁基礎(chǔ)會產(chǎn)生兩方面的影響：一方面新增堆載使軟土層發(fā)生沉降，在樁側(cè)形成負(fù)摩擦阻力，增加樁基豎向外荷載的同時降低樁基的豎向承載力，從而導(dǎo)致樁基下沉；另一方面在堆載作用下軟土土層將發(fā)生水平位移，進(jìn)而帶動樁身變形，增大樁基附加內(nèi)力的同時使墩柱發(fā)生偏位，對橋梁結(jié)構(gòu)安全造成不利影響［2-6］。因此，在深厚軟土橋區(qū)附近實(shí)施大面積填土前，需分析堆載與鄰近橋墩位移之間影響關(guān)系，準(zhǔn)確評估填土造地所帶來的地基變形及對橋梁基礎(chǔ)的影響。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

某特大橋于2013年建成通車，橋梁全長1 981 m，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級。橋梁引橋47#～62#墩位于填土影響區(qū)域，引橋上部結(jié)構(gòu)采用30 m（25 m）先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)小箱梁，半幅橋?qū)?3.75 m，橫向布置4 片小箱梁，箱梁預(yù)制梁高160（140）cm，預(yù)制梁寬度240 cm（中梁）、282.5 cm（邊梁）。30 m 跨為3 孔或4 孔一聯(lián)，25 m 跨為4 孔或5 孔一聯(lián)，每聯(lián)梁端設(shè)置伸縮縫。下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式墩，各墩均設(shè)置系梁；墩身高度均在20～25 m 時，采用墩柱直徑?160 cm 配基樁直徑?180 cm；墩身高度在15～20 m 時，采用墩柱直徑?140 cm 配基樁直徑?160 cm；墩身高度在15 m 以下時，采用墩柱直徑?130 cm 配基樁直徑?150 cm。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)均采用鉆孔灌注樁，按嵌巖樁進(jìn)行設(shè)計(jì)，樁底嵌入中風(fēng)化層深度不應(yīng)小于2 倍樁徑，嵌入微風(fēng)化層深度不應(yīng)小于1倍樁徑，樁長40～53 m之間。

1.2 橋區(qū)附近填砂情況

根據(jù)原橋設(shè)計(jì)地質(zhì)資料，47#～62#墩樁位地層分布基本相同，地層由上往下為素填土、淤泥、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、礫砂、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖。本橋橋位所處區(qū)域大范圍分布深厚流塑狀淤泥軟土層，填土區(qū)域47#～63#墩所處位置淤泥層分布厚度約13～20 m。橋區(qū)附近原為池塘，于2020 年8月～2021年1月10日完成吹填砂施工，吹填區(qū)域航拍圖如圖1 所示。通過選取典型斷面鉆孔取芯來確定47#～59#墩堆砂厚度，填土厚度如圖2所示?？梢钥闯?，填砂高度較原地面高4～8 m左右，中間高兩側(cè)低。

圖1 吹填區(qū)域航拍Fig.1 Aerial Photograph of Reclamation Area

圖2 橋下填砂厚度示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Sand Filling Thickness under the Bridge

2 墩柱偏位情況

結(jié)合現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)和橋梁施工數(shù)據(jù)，橋下不平衡填土后，51#墩伸縮縫間距拉大至170 mm（遠(yuǎn)大于限值80 mm），鄰近橋墩以51#墩為分界線，在縱橋方向發(fā)生明顯偏位，其中小樁號側(cè)橋墩向小樁號側(cè)偏位3～5 cm，大樁號側(cè)橋墩向大樁號方向偏位7～23 cm，墩柱偏位值詳如表1所示。

表1 墩柱偏位匯總Tab.1 Summary of Pier Column Deviation

初步推斷47#～63#墩偏位的整體作用機(jī)理為：47#～51#墩由于橋下不平衡堆載作用，向小樁號側(cè)偏移；52#～59#墩由于58#～59#墩兩側(cè)填土高差較大，58#～59#墩在堆土偏載作用下帶動小樁號梁體向大樁號偏移，梁體偏移及橋下不平衡堆土共同推動52#～58#墩跨往大樁號方向偏移。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型概況

采用Midas GTS 軟件建立精細(xì)化實(shí)體模型進(jìn)行填土分析，土層分層情況及橋下填土高度按實(shí)際情況進(jìn)行模擬，軟土層分布厚度13～20 m，填土厚度約4～8 m，縱橋方向向中間區(qū)域填土較高，兩側(cè)較低，精細(xì)化實(shí)體模型如圖3、圖4所示。

圖3 數(shù)值分析三維實(shí)體模型Fig.3 Numerical Analysis 3D Solid Model

圖4 橋梁下部結(jié)構(gòu)數(shù)值模型Fig.4 Numerical Model of Bridge Substructure

3.1.1 土層單元

各土層力學(xué)參數(shù)以地質(zhì)勘察文件為基礎(chǔ)，參照相關(guān)地質(zhì)類規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值［7］，計(jì)算模型所采用的土層力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 土層地質(zhì)參數(shù)Tab.2 Geological Parameters of Soil Layer

本次模擬分析對淤泥、淤泥粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土等軟土層采用修正的莫爾-庫倫理論（Modified hr Coulomb theory），對于全風(fēng)化巖、造地填土等采用應(yīng)變硬化模型（HS）進(jìn)行模擬［8-10］。

3.1.2 樁基模型參數(shù)

樁基礎(chǔ)用梁單元模擬（Embeded Beam），樁（梁單元）與土（土層單元）之間的相互作用通過特殊界面單元來模擬，界面的行為用彈-塑性模型來描述。樁基模型的參數(shù)如表3所示。

表3 樁基模型參數(shù)Tab.3 Parameter of Pile Foundation Model

3.2 填土工況

填土過程按兩種假定進(jìn)行分析，即全區(qū)域分層均勻填土和不平衡填土。

3.2.1 均勻分層填土

橋區(qū)填土施工范圍為46#～59#橋墩。根據(jù)既有填土施工記錄顯示，在橋身200 m 范圍外吹填儲備填筑材料，配置推土機(jī)4臺均衡分層填筑，填筑方向垂直于縱橋向，每臺推土機(jī)負(fù)責(zé)施工3 處橋孔，每層厚度約100 cm，每層施工時間2 d，預(yù)留自然沉降5 d。鑒于實(shí)際施工過程中分層填筑厚度和間隔時間與計(jì)劃不可避免存在差異，故對均勻分層填土的填土厚度和間距時間做不同假定，假定工況可如表4所示。

表4 分層均勻填土工況Tab.4 Condition of Layered Uniform Filling

3.2.2 不平衡填土

⑴實(shí)際施工的堆、填、挖的時間及空間順序已經(jīng)無法追溯，故通過假定施工過程中存在不平衡堆載，以使橋墩理論偏位值接近現(xiàn)狀實(shí)測值。

⑵為與墩柱位移實(shí)測值接近，假定填土過程中存在不平衡堆載，堆填過程均先對51#～53#墩橋跨、57#～59#墩之間橋進(jìn)行填土，單層不平衡土高差為2 m，后對其他橋跨區(qū)域進(jìn)行填土。

3.3 分析結(jié)果

3.3.1 均勻分層填土

不同分層厚度填土工況及不同填土間隔時間下的墩柱偏位結(jié)果如圖5所示。

圖5 墩柱偏位對比Fig.5 Comparison of Pier Column Deviation

由圖5可知：

⑴均勻分層填土狀態(tài)下，分層厚度和填土間隔時間與墩柱偏位值大小呈正相關(guān)關(guān)系，但對墩柱偏位值影響不明顯。

⑵均勻分層填土狀態(tài)下，理論值與實(shí)測值的位移趨勢基本一致，但理論偏位值較實(shí)測值偏小，其中：51#墩小樁號側(cè)墩柱往小樁號方向發(fā)生2.2～3.7 cm 的偏位，與實(shí)測值較為接近；51#墩大樁號側(cè)墩柱偏位主要發(fā)生在55#～59#墩，偏位量為2.4～7.7 cm，較實(shí)測值偏小。

故可推斷，均勻分層填土下，由于新增填土厚度不均勻（縱橋向中間高兩側(cè)低），不平衡荷載導(dǎo)致墩柱以51#墩為界限，分別向兩側(cè)發(fā)生墩柱偏位，從而使51#墩頂伸縮縫拉開。施工過程中如存在局部堆載將加劇墩柱偏位的發(fā)展。

3.3.2 不平衡填土

假定不平衡填土工況下墩柱偏位值與實(shí)測值對比結(jié)果如圖6和表5所示。

圖6 某不平衡填土工況下墩柱偏位對比Fig.6 Comparison of Pier Column Deflection under Unbalanced Filling Conditio

表5 某不平衡填土工況下墩柱偏位對比Tab.5 Comparison of Pier Column Deflection under Unbalanced Filling Condition

由圖6 和表5 可知，在某假定不平衡填土工況下，墩柱理論偏位與實(shí)測偏位趨勢一致，以51#墩為分界線分別向兩側(cè)發(fā)生偏位，且各墩柱偏位值較為接近。59#墩理論值與實(shí)測值差別較大的主要原因?yàn)椋篏TS對混凝土材料按彈性材料模擬，而樁基實(shí)際已進(jìn)入塑性階段并產(chǎn)生較大塑性變形，故按照GTS 模擬計(jì)算所得理論值偏小。

4 結(jié)語

⑴分層均勻填土情況下，墩柱偏位大小及方向主要與最終填土高差有關(guān)，填土過程中的分層厚度、分層填土?xí)r間間隔與墩柱偏位大小呈正相關(guān)關(guān)系，但影響不明顯。

⑵通過假定填土過程中存在不平衡填土情況，可使墩柱偏位理論值與實(shí)測值基本一致，表明墩柱偏位的大小及方向與實(shí)際填土過程中的堆、填、挖等順序密切相關(guān)，可確定橋下填土是本次橋墩偏位的主要原因。

⑶由于極難追溯填土施工的真實(shí)過程，且土體地質(zhì)特性等模擬參數(shù)均具有較大的離散型和不確定性，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值存在一定差異。