软土地区堆载对邻近高架桥墩的影响分析

邵　曼

(湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙　410008)



软土地区堆载对邻近高架桥墩的影响分析

邵曼

(湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙410008)

[摘要]针对广东软土地区的土质，采用整体有限元方法，研究了堆土对广州东沙至新联高速公路高架桥梁承台桩基的附加弯矩和变形。考虑堆土高度，堆土距离，对称堆土对墩基的影响，提出了控制堆土对邻近桥梁承台影响的有效工程措施。

[关键词]有限元； 堆载； 变形曲线； 控制措施

0前言

随着我国沿海发达地区的交通大发展，对交通速度提升越来越迫切，高架桥梁的应用是解决软土地区城市立交、快速路、轻轨等快速交通建设对沉降，变形要求高的有效方法。然而近年来大规模建设的过程中，软土地区常常因为堆载施工对结构产生了严重的威胁甚至造成不可挽回的破坏后果。2009年上海某商品房小区在建13层住宅楼一侧的堆载10m，并在另一侧开挖4m基坑导致上部结构向开挖侧倾覆，PHC管桩全部破坏[1]。某高速铁路桥梁9#，10#，1#桥墩因单侧大量土方堆载导致3个桥墩偏移超过100mm，无法架设预制T型箱梁[2]。对于堆载影响的土体位移场对承台桩基的影响，学者们普遍将这种问题归为“被动桩”的课题[3]，并采用了土压力法、位移法等方法进行理论分析。土压力法是估算桩的土压力分布[4]，但此法不能分析桩的变形状态；位移法根据弹性地基反力法求得桩的全长位移内力分布[5]，不过该法对于承台和桩土相互影响并未考虑在内，只是将桩所处的位移数据输入。

本文将根据软土地区实际工程案例，结合现场实测，采用弹塑性有限元数值分析方法，对邻近桩基在堆载作用下的影响进行分析研究。

1工程概况

广州东沙至新联高速公路高架桥梁下部采用墩柱承台和桩基结构，上部结构采用预应力混凝土箱梁结构。桩采用钻孔灌注桩，直径为1200mm，桩长40～50m，持力层为中风化砂砾岩，浅部土层多为粘土，淤泥质粘土，粉质粘土等软土层(见图1)。桩间距为3.2m，承台长×宽×高为5.4m×2.2m×1.8m。

图1　堆载示意图Figure 1　Layout of surcharge

场地属于软土堆积土，分层土详见表1。

孔隙潜水位较高，富存于表层软土层中。浅层粉质粘土、淤泥质保水性、透水性均较差；填土富透水性较好，水量较大。在勘探深度范围内无承压水。勘察测得地下水位埋深0.5～1m范围。潜水位随着气候、季节、地表水、潮汐等因素影响而变化，以蒸发方式排泄。计算时按照0.5m水位考虑。

表1 物理力学指标统计表Table1 Physicalandmechanicalparameters分层代号岩土名称重度/(kN·m-3)压缩模量/MPa粘聚力/kPa内摩擦角/(°)①填土18.84.721.87.1②2淤泥质粉质粘土17.21.87.51.3③1-1粉质粘土19.55.935.813.1③2'粉土18.99.415.426.7④1-1粘土19.96.132.86.7⑤3-1粉砂19.012.28.924.3⑥2-1圆砾20.120.2030.0⑦中风化砂砾岩23.0500.0100.040.0

桥梁建成后2a，在沿线桥墩一侧因景观需要须填筑土方，沿桥墩纵向220m分布，设计最高堆载达5m，最高点距离桩基约20m。出于保护桥墩的需要，在堆土过程中进行了监测。一侧局部堆到4m高度桥墩下部产生水平位移15.47mm，桥墩顶部产生15.58mm，达到设计预警限值，亟需停止施工，并对堆载施工进行进一步论证。

2计算分析

为了论证堆载作用对桥梁桩基位移的影响，本文建立数值分析模型(见图2)，因实际工况沿着长条形分布可以简化为平面应变问题。桩体、承台采用梁单元模拟，土体采用高精度的15节点三角形单元离散。为了减小边界影响，模型宽度左右各延伸80m，高度取80m。桩基长度45m，承台埋深3m，承台顶部荷载为5560kN。计算中，考虑到转化为平面应变问题，桩采用等效刚度法可简化为h厚的梁：

式中： d为桩直径；bk为桩分担的土体宽度。

图2　有限元模型示意图Figure 2　Layout of FEM model

图3　固结仪实验刚度定义Figure 3　Definition of stiffness by consolidation test apparatus

图4　标准排水三轴试验主加载下双曲型应力-应变关系Figure 4　Hyperbolic stress-strain relationship of standard drainage three axis test

软土的渗透系数较小，堆载中易产生较大的超孔隙水压力，从而使土体变形较大，结构的侧向压力也会较大，这一现象为土体的不排水效应。计算中须考虑土体在短期加载中的不排水效应，这一效应是软土中土体的特有效应，超孔隙水压力对结构的不利作用会放大。有限元计算中的刚度矩阵包含了水和土的组合刚度，将土当做土架和水的整体不排水材料，体积模量将非常大，接近于不可压缩状态，如此可以近似模拟软土在三向应力状态下的不排水现象。

根据现场施工状态，分析不同工况对桥墩桩基的影响，本文拟分析不同堆土高度，堆土距离，两侧堆土。

3计算结果分析

3．1墩基结果分析

在监测墩基位置，堆土高度约4m，坡顶距离桩基20m，坡度1∶2.5。堆土作用下，墩柱发生了水平向偏移，桥墩下部产生水平位移15.47mm，桥墩顶部产生15.58mm，竖向变形1.01mm，因此承台呈现水平变形趋势，倾斜度可以忽略。

根据数值模拟结果可见，桩顶保持水平，桩身整体发生变形，淤泥质粉质粘土层与较硬的粉土层交接处变形有一定的突变(反弯点)。其变形大小和变形形态与监测结果接近，计算参数和工况与实际较为吻合(见图5)。

图5　桥墩桩基水平变形图Figure 5　Horizontal deformation of pile foundation of bridge pier

桩基的内力图见图6，远离堆载侧的桩基弯矩增加232.7kNm/m，增加27.6%，靠近堆载侧的桩基弯矩减小99.3kNm/m，减小了16.3%，桩基按偏压计算，增加的弯矩对与桩基的裂缝增长可以忽略。考虑到桥梁采用普通板式橡胶支座GJZ500×500型，厚度t=70mm，根据《公路桥梁板式橡胶支座规格系列》[7]允许最大水平位移量Δl1=22.5mm，因此考虑到安全系数K=2.0，本项目允许墩基水平变形为11.2mm。

图6　堆载前和堆载后桩基弯矩Figure 6　Bending moment of pile before surcharge and pile after surcharge

3．2堆土尺寸分析

为了保护墩基的安全，对景观堆土设计方案须作出变更，为此须通过数值分析方法求出最合理的堆土尺寸方案，便于景观设计的选择。堆土对桥墩的影响因素很多，包括堆土的坡度，堆土底部与桩基的距离，堆土顶部与桩基的距离，堆土的时空效应，降水影响，堆土的高度等，篇幅限制，选取最核心的堆土的高度(H)和堆土顶部与桩基的距离(L)为变量，分析对墩桩水平位移的影响程度，堆土坡底保持与桩基距离为10m，堆土采用一次性堆土，地下水位不变。

根据计算结果列出关系见表2，由表2可见: 堆土高度对墩基影响较大，高度5m情况下均不满足墩基的水平变形限值，高度4m情况下堆土坡顶须超过35m方可满足要求。堆土3m以下变形均满足要求。堆土距离桩基较近时(20,25m)对桩基影响较大，距离较远时影响较小，其影响权重比堆土高度要小。由于景观设计需求，不能太过远离桩基，且要保持层次美观需求，对堆土高度不可过低，因此可以选择4m堆高，距离30m。

表2 墩基水平位移与堆土关系表Table2 RelationshipofpierhorizontaldisplacementandsurchargeH/mL/m2025303525.765.394.344.10310.419.647.446.01415.7014.9611.019.25522.5219.2315.3413.08 注:阴影为不满足限值。

3．3对称堆土分析

为了尽量提高堆土高度，满足景观设计方案，提出采用对称堆土。两侧同时先堆土2m高，然后再在设计位置处堆载3m高，坡顶距离桩基30m。这一工况在土体为弹性情况下等效为一侧堆载3m高，因此如果土体采用常规的摩尔-库伦(M-C)、德鲁克-普拉格(D-P)理想弹塑性本构模型将与这一等效计算结果相仿。本分析采用硬化土模型，为弹塑性本构模型，与这一等效并不相同(见图7，图8)。

图7　对称堆载2 m后单侧堆载3 mFigure 7　symmetrical loading of 2 m following by unilateral loading of 3 m

图8　单侧堆载3 m墩基和对称堆载2 m后单侧堆载3 m墩基水平变形Figure 8　Horizontal deformation by unilateral loading of 3 m and symmetrical loading of 2 m following by unilateral loading of 3 m

由对比图可见，单侧堆载3m和堆成堆载后再堆载3m对于墩基的变形影响是不同的，对称堆载并没有预想的平衡两侧土体变形趋势的作用，增大了向另外一侧变形的趋势。根据硬化土双曲线应力应变本构关系可知，随着土体偏应力的增大，土体的变形模量减小，因此先对称大面积堆载2m后，土中的竖向应力水平显著增大，总体位移也会增大。而弹性本构关系中变形模量随着应力水平的增大不会变化，所以不会有这种现象。这样的双曲线本构关系是对实际土体排水三轴试验的较好的模拟，实际土体在大面积堆载之后，短期内再施加不对称堆载会导致土体塑性变形较大，甚至有局部失稳破坏的风险，因此对于这类堆载问题谨慎采取对称堆载的用以平衡变形。

4结论

本文以广州东沙至新联高速公路软土地区实际工程监测为依据，通过对高架桥墩侧堆载的施工工况分析，采用数值方法，对堆载施工过程进行了详尽的预测性分析。得出如下结论：

① 单侧堆载，桩基将产生侧向变形，水平变形占主导，竖向变形不足以引起桥墩的偏转，上部结构保持直立，桩基的发生S形变形，反弯点在软土与硬土交界处[8]。

② 软土地区高架桥墩桩基的水平变形产生的内力在桩顶最大，桩身较小，总体弯矩不足以引起桩顶破坏或者裂缝。控制墩基变形的限制条件在于桥梁支座的变形要求。

③ 软土地区堆载属于短期加载，存在不排水效应，土体超孔隙水压力较大，对邻近结构构成威胁。堆载须考虑有效排水，人工固结等措施减少超孔隙水压力。

④ 大面积堆载的土体高度和坡顶距离对于桩基变形和内力影响较大，应着重控制堆土高度和距离。

⑤ 对称堆载增加土层应力水平，对土体变形和桩基内力影响较大，不应采用对称堆载方式平衡桩基变形。

[参考文献]

[1]尹骥,徐枫.某在建住宅楼倾倒的三维数值分析[J].地下空间与工程学报,2010,2(6):208-212.

[2]董亮，牛斌，谷牧，等.大面积单侧堆载对高速铁路桥梁墩台影响的数值分析[J].铁道工程,2015(1):208-212.39-42.

[3]DeBeer,E.E.effectsofhorizontalloadsonpilesduetosurchargeorseismiceffects.Proc.9thICSMFE,Tokyo,1977,vol.3,pp.547-558.

[4]Begemann,H.K.S.&DeLeeuw,E.H..Horizontalearthpressuresonfoundationpilesasaresultofnearbysoilfills.Proc.5thEur.Con.SMFE,Marid,1972,Vol.1:3-9.

[5]张陈蓉,黄茂松.基坑开挖引起的邻近建筑物桩基变形受力响应[J].岩土工程学报, 2012, 34(增刊): 565-570.

[6]王卫东,王浩然,徐中华.基坑开挖数值分析中土体硬化模型参数的试验研究[J].岩土力学,2012,33(8):2283-2290.

[7]JT/T663-2006,公路桥梁板式橡胶支座规格系列 [S].

[8]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,2013,34(12):3594-3600.

NumericalAnalysisonInfluenceofPitExcavationonAdjacentBridgeCappedPilesGroup

SHAOMan

(HunanCommunicationPlanning，SurveyandDesignInstitute,Changsha,Hunan410008,China)

[Abstract]In view of the Guangdong soft soil area, by using finite element method，the paper presents study on the additional bending moment and deformation of viaduct pile caps caused by cumulative soil in Dongsha,GuangDong-Xinlian Highway project. The hight of the surcharge, the distance from piles of the surcharge, symmetricalsurcharge load have been analysed. Thensome effective engineering controlling measures have been put forward on the influence of surcharge load on adjacent viaduct

[Key words]finite element method; foundation pit; deflection curves; controlling measure

[收稿日期]2016-01-15

[作者简介]邵曼(1982-)，女，湖南岳阳人，工程硕士，从事高速公路桥梁设计研究工作。

[中图分类号]U 445.7+5

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0212-04