地面堆载对现有桥梁结构的影响分析

田忠青

(安徽省港航建设投资集团有限公司，安徽 合肥 230011)

地面堆载对现有桥梁结构的影响分析

田忠青

(安徽省港航建设投资集团有限公司，安徽 合肥 230011)

地面堆载对桥梁结构的影响，最直观的反应是使桥墩发生水平位移。采用加拿大Geo-Slope公司的Geo-Studio软件的SIGMA/W模块对现有桥梁进行计算分析，通过数值模拟计算堆载作用下桥墩的水平位移，以验证其对桥梁结构的影响。并根据计算结果，得出堆载距离现有桥梁的最小安全距离。

地面堆载；现有桥梁；结构分析；堆载距离

近年来,因人为因素造成既有桥梁基础周边土体扰动,从而影响桥梁结构安全的案例普遍存在。对桥梁而言,在桥墩附近违章堆载,会造成桥墩发生倾斜,进而传递至桩基础和桥梁上部结构,从而影响桥梁结构安全[1-2]。

既有桥梁桩基周围原则上不允许堆放荷载或修建筑物或地面结构物,因为堆载将大幅增加地基附加应力,从而增加地基固结沉降量,破坏桩基地基的固结平衡状态,改变桩基的受力模式[3-4]。

本文以某桥梁为背景,通过数值模拟计算堆载作用下桥墩的水平位移,以验证其对桥梁结构的影响。并根据计算结果,得出堆载距离现有桥梁的最小安全距离,以期为同类工程提供参考。

1 工程背景

某桥梁上部结构8×25 mT梁+25.1 mT梁+24.9 mT梁+2×22.5 mT梁+18.35 mT梁+82 m下承式系杆拱+24.62 mT梁+11×25 mT梁,设计桥梁全长702.53 m,宽10.0 m。其主要病害为受第20跨外侧砂堆影响(图1、图2),第六联(第19～22跨)

图1 第20跨外侧砂堆

图2 上部T梁横向偏位

T梁整体有较明显扭转,且因梁偏移,对桥梁支座、伸缩缝、挡块和盖梁等构件均有不同程度的损坏。砂堆面积约1 000 m2,堆高约6.7 m。

2 原理及参数选取

2.1 计算原理

数值计算采用加拿大Geo-Slope公司的Geo-Studio软件的SIGMA/W模块。对于一个给定的时间增量,SIGMA/W的有限元方程表示为

(1)

其中,[B]表示应变-位移矩阵;[C]表示本构关系矩阵;{a}表示节点增量的x、y位移列向量;〈N〉表示插值函数的行向量;A表示沿单元边界的面积;v表示单元体积;b表示单位体力强度;p表示增加的表面压强;{Fn}表示集中节点增加荷载。

2.2 地层信息

根据勘察,计算断面各地层信息如图3所示。桩基位置的土层自上而下是粉质黏土、淤泥质粉质黏土、淤泥质粉质黏土与粉砂互层、粉质黏土和卵石。

图3 土层分布

2.3 计算参数的选取

采用软件建立模型,计算初始应力场;然后加载沙堆。底部为固支约束,两侧为水平约束。桥梁上部荷载按恒载计。

土体参数采用摩尔库伦理想弹塑性本构模型,混凝土桩采用线弹性模型。土层物理力学性质参数见表1,地质资料有提供计算参数的,计算参数按照地质资料,或根据计算实际在地质资料基础上依据经验公式换算;其余参数采用规范推荐值或经验值。土体强度参数采用固结不排水指标。

表1 计算参数取值

3 影响分析

从沙堆大小、桩径、沙堆位置远近等方面考虑,考虑不同的工况,研究不同因素的影响程度及敏感性,分析地面堆载对桥梁桩基的影响[5-7]。

各分析工况计算模型(图4、图5)如下:

图4 各工况位移图

图5 各工况位移对比图

3.1 工况一

桩的间距为5 m,桩径1.5 m;沙堆高度6.7 m,坡度1∶1,沙堆底长30 m。

计算结果表明,最大水平位移81 mm,发生在地面以下、桩的上端,水平位移自上而下逐渐减小,桩底水平位移为2 mm;最大竖向位移8 mm,竖向位移变化较小。

3.2 工况二

桩的间距为6 m,桩径1.2 m;沙堆高度6.7 m,坡度1∶1,沙堆底长30 m。计算结果表明,最大水平位移91 mm,发生在地面以下、桩的上端,水平位移自上而下逐渐减小;最大竖向位移8 mm,竖向位移变化较小。

3.3 工况三

桩径为1.5 m,桩间距仍为5 m,沙堆对称加载。

计算结果表明,最大水平位移2 mm,左右两个方向的水平位移方向相反;地面以下最大竖向位移24 mm,竖向位移变化较大。

说明沙堆对称堆载时,桩基产生的水平位移非常小,几乎不产生水平位移。

3.4 工况四

桩径为1.5 m,桩间距仍为5 m,将沙堆外移30 m。

计算结果表明,最大水平位移55 mm,发生在桥梁顶部,地面以下部分的最大位移发生在桩顶,为49 mm;地面以下最大竖向位移4 mm,竖向位移变化较小。

说明沙堆外移30 m时,桩基产生的位移有所减小。

3.5 工况五

桩径不变,仍为1.5 m,桩间距仍为5 m,将沙堆外移100 m。

计算结果表明,最大水平位移6 mm,发生地面以下、桩顶位置;最大竖向位移4 mm,竖向位移变化较小。

说明沙堆外移100 m时,桩基产生的位移大幅减小。

3.6 工况六

桩径不变,仍为1.5 m,桩间距仍为5 m,将沙堆外移200 m。

计算结果表明,最大水平位移1.2 mm,发生地面以下、桩顶位置,水平位移很小;最大竖向位移4 mm,竖向位移变化较小。

说明沙堆外移200 m时,桩基产生的水平位移大幅减小,水平位移基本可以忽略。

4 结论与建议

4.1 结 论

(1) 在堆载作用下,土体因为桩土的相对沉降差而在桩身产生负摩阻力,而且由于材料的泊松比和土体剪切应力的存在,土体在沉降的过程中必定会产生水平向的变形和位移,进而对邻近桩基施加水平推力[8]。

(2) 经过数值模拟,沙堆的不对称堆载对桥梁桩基产生了水平位移,且水平位移与桩径有关,桩径越小,水平位移越大。当桩径为1.5 m且沙堆靠近桥梁时,产生的桩基最大水平位移为81 mm;当沙堆位置不变,桩径为1.2 m时,产生的桥梁最大水平位移为91 mm。

(3) 沙堆的不对称堆载对桥梁桩基产生的水平位移还与沙堆距离桥梁的远近有关,沙堆离的越远,产生的桩基水平位移越小[9-10];当沙堆距桥梁200 m时,产生的桩基水平距离接近于0,仅为1.2 mm。

(4) 沙堆的堆载对桥梁桩基产生的水平位移沿着桩基自上而下逐渐减小。

(5) 根据计算结果,沙堆的堆载对桥梁桩基产生的竖向位移较小,除对称堆载的工况三外,一般在4～10 mm之间。

4.2 建 议

(1) 立即清理黄砂堆,对桥梁进行相关变形监测,并观测桥梁横向位移恢复情况。根据《公路法》规定及数值计算结果,砂堆距离桥梁的最小安全距离为 200 m。

(2) 待桥梁横向位移稳定后,对桥梁目前存在的病害进行必要处理。

[1] 黄 清.地面堆载对既有桥梁结构的影响分析[J].桥梁建设，2014，44(5)：39～44.

[2] 闫澍旺，刘子初.堆载对邻近桥梁结构影响的有限元分析[J].勘察科学技术，2013(3)：1～4.

[3] 冯忠居，张永清，李 晋.堆载引起桥梁墩台与基础的偏移及防治技术研究[J].中国公路学报，2004(7)：74～77.

[4] 张礼财.堆载作用下既有桥梁群桩基础承载特性分析[D].成都：西南交通大学，2015.

[5] 门小雄.堆载对桥梁桩基承载力特性的影响分析[D].西安：长安大学，2007.

[6] 刘志明,陈 强,范 俊.堆载法在桥梁基础纠偏过程中的应用[J].公路，2012(11)：35～38.

[7] 周桂梅.堆载滑动对陡坡桥墩与桩基础力学特性的影响分析及其工程技术研究[D].西安：长安大学，2015.

[8] 刘 阳.堆载作用下黄土冲沟区桥梁桩基础竖轴向承载特性研究[D].西安：长安大学，2014.

[9] 李志伟.软土地基邻近堆载对桥梁桩基偏位的影响研究[J].岩土力学，2013(12)：3594～3600.

[10] 吴 琼，陈锦剑.桩侧堆载作用下被动桩受力性状研究[J].地下空间与工程学报，2010(6)：62～65.

2016-07-06

田忠青(1965-)，男，安徽霍邱人，安徽省港航建设投资集团有限公司高级工程师．

U442.59

A

1673-5781(2016)04-0480-03