高填土桥台的结构稳定性分析

丰月华

(浙江公路水运工程咨询公司，浙江 杭州 310004)

高填土桥台的结构稳定性分析

丰月华

(浙江公路水运工程咨询公司，浙江 杭州 310004)

桥台后高填土在软弱地层中十分常见，由于填土较高，随时间发生的下沉、变形，导致整体强度减弱，从而影响桥梁结构的稳定性和安全性。本文根据鲍田1号桥实际工程，采用plaxis有限元软件对桥梁和地基结构进行建模，通过计算固结沉降、侧向位移、超孔隙水压力，分析高填土结构的稳定性。结果表明路堤填土固结一年后沉降趋于稳定，桩基稳定，塑料排水板工作性能良好。

高填土 固结沉降 侧向位移 超孔隙水压力 稳定性

随着路基填筑高度的迅速增加，土体对高架桥下部结构物的作用跃居控制地位［1］。在软弱地层中，常对桥台背后进行高填土作业，大量的高填土可能压迫桥梁基础结构，导致地下土层移位、沉降，影响整体结构的稳定性［2］。在桥梁运营过程中可能造成桥梁结构失稳，影响桥梁的正常使用，对交通安全有极大的隐患。目前，国内外学者对其进行了相关的研究，马希田、徐龙等人对超高填土肋板式桥台的桩基础结构进行了分析;贺维通过分析土台、桥台之间的相互关系，分析了高填土桥台结构稳定性;刘雁宁通过考虑侧向位移对路堤固结沉降进行了研究。

1 工程背景

1.1 工程概况

飞云江三桥北延伸线工程路线全长8.617 km，路基宽度48.5 m，设计速度100 km/h。沿线密布河道，大部分河道宽度10～15 m，共设置23座桥梁，桥跨布置3×10 m，上部结构为先简支后连续预应力混凝土空心板梁，设计荷载为公路Ⅰ级。工程地质情况以淤泥和黏土为主，淤泥层厚度约20～33.5 m。桩基设置成双排桩，桩长较大，采用台后填土堆载预压期内同步施工桥梁桩基的方法。台后填土堆载至路面标高+预抛高55 cm后，预压4个月，然后开始施工桥梁桩基，再进行堆载预压12个月。

本文综合考虑23座桥梁的桩长和台后填土厚度，选取路堤填土高度最大的鲍田1号桥进行分析，其0号台后填土厚度达到3.288 m，地质柱状图见图1。将鲍田1号桥作为最不利工况，利用大型岩土工程有限元计算软件Plaxis建立结构有限元模型，进行固结沉降、侧向位移、超孔隙水压力分析。

图1 鲍田1号桥地质柱状图(单位:m)

1.2 材料参数

路堤填土重度考虑了预抛高土体的重量。按照土工试验结果，渗透系数k采用太沙基一维渗流固结理论进行计算

式中:a为压缩系数;Cv为固结系数;γw为水重度;e为天然孔隙比［3-4］。

塑料排水板采用等效竖向渗透系数模拟

式中:kh，kv分别为水平、竖直渗透系数;l为排水板长度;D为单元体直径［5］;μ为考虑了塑料排水板等效直径、涂抹区直径、排水能力等指标的参数。本工程设置塑料排水板的排水区域竖向渗透系数提高67～100倍。

因采用二维计算方法，需要把钻孔桩等效为板桩，方法为改变其弹性模量

式中:E为板桩弹性模量，Ep为钻孔桩弹性模量，Es为桩长范围内各层土弹性模量加权值，u为各桩中心距离，d为桩径。φ1 m钻孔灌注桩混凝土弹性模量取5.36 GPa，φ1.2 m钻孔灌注桩弹性模量取6.43 GPa，承台、桥台弹性模量取30 GPa，泊松比均为0.2。

2 计算模型

2.1 边界条件

采用Plaxis 8.2进行结构分析，建立了鲍田1号桥的平面有限元模型。①位移边界:底部约束UX，UY方向位移，左右两边约束UX方向位移。②排水边界:顶底部为排水边界，左右两边为不排水边界。

2.2 初始条件和加载工况

取常水位2.64 m为计算水位，生成初始孔压。考虑到本工程车流量较大，采用城 A车道荷载22.5 kN/m除以一个车道宽度3.75 m，得到交通车辆等效荷载6 kPa计算，加载工况见表1。

2.3 几何模型

结构有限元模型见图2，采用15节点的三角形平面应变单元进行结构离散，共有25 809个节点、2 963个单元。

表1 加载工况

图2 有限元模型

3 结果分析

3.1 固结沉降

固结沉降见图3。从图3看出，预压90 d，210 d，570 d和930 d台后路堤填土最大固结沉降依次为0.36 m，0.57 m，0.79 m和0.89 m，河道土体隆起最大值为0.32 m，0.31 m，0.24 m和0.22 m。固结沉降最大处发生在塑料排水板变短区域，桩基施工后1年内固结沉降趋于稳定。

3.2 侧向位移

侧向位移见图4。从图4可知预压60 d，180 d，570 d和930 d土体最大侧向位移依次为0.27 m，0.30 m，0.29 m和0.33 m，侧向位移最大处发生在河道边坡区域。桩基施工后2年内水平位移为11 mm。

图3 路堤填土沉降—时间曲线

图4 0号台桩顶及桩顶土体侧向位移—时间曲线

3.3 超孔隙水压力

超孔隙水压力变化见图5。从图5看出，预压90，210，570和 930 d土体最大超孔隙水压力依次为－72.5，－69.2，－63.3和 －67.3 kPa。超孔隙水压力最大处发生在塑料排水板底部以下，并逐步扩散到桥梁桩基之间区域。塑料排水板区域超孔隙水压力在2年内从 －66 kPa逐步消散至 －9 kPa，排水区域超孔隙水压力并非立即消散，这与实际状况是一致的，表明采用等效竖向渗透系数模拟塑料排水板有较好结果。

图5 塑料排水板底部超孔隙水压力时间曲线

4 结论

通过上述有限元分析结果，可得出以下结论:

1)台后路堤填土在90，210，570和930 d最大固结沉降依次为0.36，0.57，0.79和0.89 m，路堤填土固结一年后沉降趋于稳定。

2)土体在 90，210，570和 930 d的最大侧向位移依次为0.27，0.30，0.29和0.33 m，桩基施工后2年内桩顶水平位移为11 mm，并保持稳定，不会对桥梁结构产生影响。

3)超孔隙水压力在90，210，570和930 d最大值依次为 －72.5，－69.2，－63.3和 －67.3 kPa，超孔隙水压力最大处发生在塑料排水板底部以下，塑料排水板区域2年内超孔隙水压力从 －66 kPa逐步消散至－9 kPa，排水板工作性能良好。

［1］刘成宇．土力学［M］．北京:中国铁道出版社，2002．

［2］郎杰．高填土桥台的研究［D］．大连:大连理工大学，2000．

［3］袁中山．论高填路堤填土施工方法对饱合粘土地基沉降与固结的影响［J］．平顶山工学院学报，2005(11):50-51．

［4］王瑞荣，马启和，吴银亮．杭兰高速公路某边坡特征分析及稳定性评价［J］．铁道建筑，2012(8):82-84．

［5］姜弘，沈水龙．塑料排水板处理的软土地基的分析［J］．岩土力学，2004(增 2):437-440．

U443．21

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．09．06

1003-1995(2013)09-0018-03

2012-12-25;

2013-05-20

丰月华(1976— )，女，江西上饶人，高级工程师，硕士。

(责任审编 赵其文)