填土堆载高度对既有桥梁桩基变形的影响

■孙茂强

(昌吉公路管理局木垒分局，昌吉 831900)

0 引言

近年来，随着国内基础设施系统建设的不断推进，各类工程建设日趋发展。在建设的过程中，大量的挖方工程产生的弃土如果堆积不当，可能会引起崩塌、坡面 冲刷、泥石流、滑坡等地质灾害，尤其当弃方体临近构筑物等时，如果出现诸如滑坡等地质灾害，可能会给其带来致命的灾难[1-3]。

近年来，有关桥下弃方体对桥梁桩基安全产生的影响时有发生。高文军等人[2]通过调查发现特大暴雨侵袭杭州到瑞丽国家高速公路贵州境内大兴至思南东段大桥后，导致桥墩变形严重并出现多条纵横交错的裂缝，其中裂缝最宽可达3mm，裂缝深度整体大于 60mm，部分桥墩的偏位超过20mm，也使得该桥梁成为危桥，造成大量的经济财产损失。再者，麻土华等人[3]报导了重庆市开县至云阳高速公路某大桥桥头堆积有大量弃土堆，导致3号桥墩发生严重错位变形。此外，邓会元[5]报导了某高山陡坡地段桥下弃方造成桥梁墩柱倾斜和下部桩基开裂损毁的工程事故；贾喜翠[6]报导了厦门至成都高速公路——湖南郴州至宁远段的某桥梁墩柱受弃渣的不均衡水平土压力作用，桩基和立柱体系因超出其抵抗水平外力值而产生侧向位移，导致桥墩及上部盖梁等偏位产生安全事故。近年来，国内许多学者也进行了相关研究，取得不错的研究成果[7-10]。然而，有关弃方体对邻近桥梁桩基的安全问题仍需进一步的研究，本文即基于此开展相关研究。

1 工程背景

为了分析堆载高度对邻近既有桥梁安全性影响，如图1所示，根据现有的地质调查结果显示，桥梁桩基穿过区域土层共分为3层，从上至下依次为软土、粉质黏土以及中风化碎石块层，桥梁桩基总高度47m，其中在地面以上部分20m，在地面以下部分为27m。两根并列桩基距离大小为10m，堆填土总高度为12m，共分为4次堆载，每次堆载3m，堆载土体中心距离左侧桩基12m。

图1 计算模型图

2 模型建立

本文主要以GeoStudio有限元软件作为计算手段，对不同堆载高度土体对邻近桩基的影响进行分析。考虑到模型的尺寸，建模时取土层厚度为30m，并以模型左边界地表处为原点，水平方向取土体宽度值为100m。同时，对模型的下边界和左右边界进行位移约束。模型中填土为黏土，共12m，分4次进行加载，分级加载高度和时间分别为3m和5天，文中假定堆载体的坡度为60°。

在本构模型赋值方面，采用修正的剑桥模型，土体所采用的参数如表1所示，分别给出三个土层以及上部堆载土的密度、粘聚力、摩擦角、弹性模量以及泊松比等参量。对于混凝土桥梁桩身，实际模拟采用与实际相近的各向异性的线弹性模型。混凝土的弹模大小取18.5GPa，钢筋的弹模取210GPa。

表1 土体物理力学指标

图2 数值模型图

3 数值结果分析

邻近堆载对于桥梁桩基稳定性具有重要的影响，本文选取堆载宽度四级分别为3m、6m、9m和12m，主要分析在不同高度堆载土的作用下并排两根桥梁桩基的水平和竖向位移，具体分析如下。

3.1 堆载高度不同时桩身竖向位移分析

由于文中的左侧和右侧桩基上部相连且二者与桩基的距离不同，因此，二者受堆载的影响程度会存在不同，本节主要对不同堆载高度下左右桩的沿桩身不同深度处竖向位移进行提取分析。如图3所示，为左侧桩在不同堆载高度下的桩身竖向位移图，规定竖向位移向下为正，反之为负。由图可知，对于堆载为3m时，沿桩身的竖向位移基本相同，其值基本在-0.07～-0.16mm范围内，随着堆载高度的增加，可以看出桩基的竖向位移在逐渐变化。对于地表以上部分，桩基竖向位移沿桩身基本一致，堆载为3m、6m、9m和 12m对应的位移大致分别为-0.12mm、0.03mm、0.20mm和0.29mm。然而，在地表以下，桩基位移则表现为不同的变化规律，可以看到四级堆载高度下，地表以下桩基竖向位移值均为负，四级不同堆载高度下对应的桩基竖向最大位移值分别为-0.16mm、-0.27mm、-0.34mm和-0.28mm，说明随着堆载高度的增加，地表以下桩基竖向位移随堆载高度增加表现出先增大后减小，且地表以下部分位移最大值发生深度随堆载高度增加而增大。综上可知，堆载对桩基整体影响较大，且以地表为分界线，上下两部分桩基位移方向表现不同。

图3 左侧桩随深度的桩身竖向位移

如图4所示，为右侧桩在不同堆载高度下的桩身竖向位移图，规定正方向同上。由图可知，对于堆载为3m时，沿桩身的竖向位移基本相同，其值基本在-0.10mm以内，随着堆载高度的增加，可以看出桩基的竖向位移在逐渐增大，且桩基的位移值均为负，即桩基整体表现为上浮。对于地表以上部分，桩基竖向位移沿桩身基本一致，堆载为 3m、6m、9m和 12m对应的位移大致分别为-0.10mm、0.45mm、-0.72mm和-0.79mm。然而，在地表以下，桩基位移则表现为不同的变化规律，可以看到在地表以下，随着桩基深度的增加，桩身竖向位移慢慢减小。此外，随着堆载高度的增加，桩基的竖向位移增大趋势逐渐缓慢。

图4 右侧桩随深度的桩身竖向位移

综上所示，不同堆载高度下，左右侧桩地表以上竖向位移值沿转桩身基本一致，而地表以下桩身竖向位移规律不一致，且左右桩的沿桩身位移变化规律存在差异。此外，认为堆载高度3m时产生的影响不大。

3.2 堆载高度不同时桩身水平位移分析

本节主要对不同堆载高度下左右桩的沿桩身不同深度处水平位移进行提取分析。如图5所示，为左侧桩在不同堆载高度下的桩身水平位移图，规定水平位移向左为负，反之为正。由图可知，对于堆载为3m时，沿桩身的水平位移基本相同。随着堆载高度的增加，可以看出桩基的水平位移在逐渐增大，且桩基的位移值均为正值，即桩基整体表现为整体向右侧倾斜。对于地表以上部分，桩基水平位移沿桩身基本一致，堆载为3m、6m、9m和12m对应的位移大致分别为 42.5mm、112.2mm、157.8mm和225.1mm。对于在地表以下部分，桩基水平位移表现出不同的变化规律，即随着桩基深度的增加，桩身水平位移位移慢慢减小，桩端处水平位移基本为零。此外，随着堆载高度的增加，桩基的水平位移增大趋势逐渐缓慢。

图5 左侧桩随深度的桩身水平位移

如图6所示，为右侧桩在不同堆载高度下的桩身水平位移图，规定正方向同上。由图可知，对于堆载为3m时，沿桩身的水平位移基本相同。随着堆载高度的增加，桩基水平位移增大，且桩基的位移值均为正值，即桩基整体表现为整体向右侧倾斜，这与左侧桩规律一致。对于地表以上部分，桩基水平位移沿桩身大小基本相同，堆载为3m、6m、9m和 12m对应的位移大致分别为 38.6mm、114.6mm、171.7mm和228.4mm。对于在地表以下部分，即随着桩基深度的增加，桩身水平位移位移慢慢减小，桩端处水平位移基本为零。此外，随着堆载高度的增加，桩基的水平位移增大趋势逐渐缓慢。

综上可知，堆载对于左右桩影响规律基本一致，即地表以上桩基水平位移沿桩身基本相同，地表以下桩基沿桩身向下水平位移逐渐减小，在桩端处水平位移基本为零。

图6 右侧桩随深度的桩身水平位移

4 控制措施及建议

公路施工过程中不允许将弃土方堆填在邻近桥梁桩基处，但有些情况下，由于场地条件等其他因素限制，不得不将弃土方堆填在桥梁桩基附近，此种情况下应对桩基和地基进行加固，具体方法如下：

(1)对地基土进行换填

应在堆填之前，采用换填技术对桥梁桩基附近的地表以下5m深左右的软土地基进行处理，增大地基承载力，减小堆载对桩基变形的影响。

(2)在堆载和桩基之间设置隔离桩

堆填前，通过在堆载和桩基之间设置隔离桩，以此抵抗堆载作用，减小隔离桩后桥梁桩基的变形。

(3)对桥梁桩基加固

堆填前，通过在桥梁桩基周围加设加固桩，以此抵抗堆填土对桥梁桩基变形的影响。

5 结论

本文主要采用GeoStudio软件对上述堆载土体对邻近桩基安全性影响进行模拟分析。通过分析桩基在不同堆载下的竖向位移和水平位移，可以得到如下结论：

(1)不同堆载高度下，左右侧桩地表以上竖向位移值沿转桩身基本一致，而地表以下桩身竖向位移规律不一致，且左右桩的沿桩身位移变化规律存在差异，堆载高度3m时产生的影响不大。

(2)堆载对于左右桩影响规律基本一致，即地表以上桩基水平位移沿桩身基本相同，地表以下桩基沿桩身向下水平位移逐渐减小，在桩端处水平位移基本为零。随着堆载高度的增加，桩基水平位移增大，桩基整体表现为整体向右侧倾斜，左右两侧桩规律一致。当堆载不可避免时，工程中应该采取适当措施进行合理控制。