软弱土层深度对临近桥梁影响研究

李思江，孟维正

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

我国地域辽阔，土质情况复杂，在沿海、沿河地区以及地下水较浅地区存在大量软土，其天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、渗透性差、灵敏度高以及流变性显著等特性导致其工程性质较差，因此在软土地基上进行施工面临诸多困难、施工难度较大[1-2]。TAVENAS F、Springman S M、MALEK M SMADI等人研究发现在软土地区进行工程建设时，周边若同时进行堆载工程，则正在进行中的工程建筑将会出现较大的水平形变，且当变形过大超出限值时还会影响结构物的正常使用[3-5]。金宗川、张坤、杨敏等人通过工程实践的结果也证明，桥梁工程在堆载工程的作用下，堆载附近的软土会产生较大的形变，进而致使临近的桥梁桩基产生较大形变，影响桥梁的通行安全[6-8]。

本文以福建某公路桥为背景主要研究不同软弱土层深度对桥梁造成的影响，分析不同深度下桥梁1#桩柱及梁体的位移和弯矩情况。

1 计算模型说明

整体模型共有两联梁体0#台～4#桩柱之间为第一联，4#桩柱～9#桩柱处为第二联梁。各桩柱均为嵌岩桩，其中1#桩长61 m，各墩柱均为4.5 m高。

按地勘资料建立后土层分布情况如下：0#台处采用群桩加固，土质较好；1号桩处土层由上至下分布为：2 m黏土层、39 m淤泥、4 m卵石土、2 m淤泥、4 m卵石土、2 m淤泥、2 m卵石土、4 m强风化凝灰岩、13 m中风化凝灰岩。堆载在桥梁左侧，即1-0#桩柱侧，土体模型三维展示如图1所示。

图1 原始模型土层分布模型(三维图)

但本文主要分析软弱土层深度对桥梁的影响。因此在所有参数不变的情况下，仅改变土层分布的情况。具体参数设置如下：

(1)土体单元选取为实体单元，参数按表1选取。

表1 土参数选取

(2)墩桩设置为结构单元，上部盖梁设置为实体单元，参数选取参数见表2、表3。

(3)堆载高度根据钻孔数据选为7 m。

(4)堆载方式采用从左至右依次堆载的方式。

(5)堆载距离均为堆载坡脚与1～0#桩柱(即模型中左桩)中心相距7 m。

表2 墩、桩参数选取

表3 上部结构参数选取

(6)土层分布主要按照图1中土层分布设置，三个模型淤泥土层厚度分别取12 m、32 m、52 m，中层为强风化凝灰岩，最底层为强风化凝灰岩，具体土层分布如图2～图4所示。

图2 软弱土层深度12 m(1#桩柱处剖面图)

图3 软弱土层深度32 m(1#桩柱处剖面图)

图4 软弱土层深度52 m(1#桩柱处剖面图)

2 软土深度对桩柱位移影响

由图5、图6可以发现：软弱土层的深度会直接影响桩体的横桥向位移。当淤泥深度为12 m时，1～0#桩柱的最大侧向位移为2.33 cm；当淤泥深度为32 m时，1～0#桩柱的最大侧向位移为25.98 cm；当淤泥深度为52 m时，1～0#桩柱的最大侧向位移最大，为49.16 cm。由此得出在相同堆载的作用下，软弱土层深度越深，桥梁桩基侧向位移越大。

对比各软弱土层深度1#桩柱的侧向位移可以发现：

(1)1#桩柱在土体中的整体变形趋势在各种不同淤泥土层深度下有较大差异，随着淤泥土层深度的加深，桩身最大位移随之增大，且最大位移的高程随淤泥土层深度的加深下移；

(2)桩体位移零点的位置随淤泥土层深度的加深下移，淤泥深度为12 m时，在桩高程-26.5 m处，桩基侧向位移为零；淤泥深度为32 m时，在桩高程-47.5 m处，桩基侧向位移为零；淤泥深度为52 m时，在桩底即桩高程-61 m处，桩基侧向位移为零。由此可以发现在本工况的情况下桩柱侧向位移为0的位置约在淤泥地层下方15 m左右的位置。

图5 1～0#桩柱侧向位移

图6 1～1#桩柱侧向位移

3 软土深度对桩柱弯矩影响

由图7～图8可以发现：堆载工程虽对附近的桥梁桩基弯矩整体影响较大，但在淤泥深度较浅为12 m时桩基的弯矩变化非常小。但当淤泥深度为32 m时，在同样的堆载情况下桩基弯矩大小迅速增大。当淤泥深度为52 m时，较淤泥深度32 m时桩底弯矩增幅最大。由以下两幅图可以明显的发现桩在不同软弱土层深度下弯矩的不同，在软土地基中桩柱在堆载的作用下受到较大的主动土压力，导致正向弯矩增大，在下部土质较好的凝灰岩土层中土层本身变形较小，主动土压力较小且被动土压力较大，因此桩柱在此种土层中弯矩逐渐减小，为桩柱提供了足够的支承反力。

对比各软弱土层深度下1#桩柱的弯矩图可以发现以下明显规律：

(1)桩柱的弯矩随软弱土层深度的增加而增大，软弱土层深度越深，土对桩柱产生的影响越大，桩身弯矩大小越大。

(2)随淤泥深度的增加，桩柱最大正弯矩的桩高程随之下移，说明桩柱受主动土压力最大的位置随淤泥深度的增加而不断下移。

图7 1～0#桩柱横桥向弯矩

4 软土深度对梁位移影响

以0#桥台为纵桥向零点，各墩柱间、墩柱与桥台间距均为30 m，取梁中心点的侧向位移数据，绘制图9、图10。

由图9、图10中曲线可以看出，当淤泥深度较浅为12 m时梁整体的侧向位移也较小，在同样的堆载情况下，若淤泥深度较浅，桥体所受影响也较小，不会影响桥体的正常使用；当淤泥深度为32 m时，梁体的侧向位移相对深度为12 m时明显增大，4#桩柱处梁体侧向位移增大最为明显，由5 cm增大到17 cm；当淤泥深度为52 m时，0#台处桩基采用管桩群加固，因此桥台上梁体的位移也相对较小侧向位移为6.5 cm，4#桩柱处侧向位移为23 cm，此时梁体在盖梁平面已经形成明显的平面转动的趋势。通过梁体的变形可以发现以下规律：

(1)在堆载不变的情况下，随淤泥深度的增加，梁体的侧向位移迅速增大。

(2)第一联梁在4#墩柱处梁体侧向位移最大，0#台处位移最小，梁体整体呈现出在盖梁平面转动的趋势。

图9 梁侧向位移(两联梁)

图10 梁侧向位移(第一联梁)

5 结论

本文通过FLAC3D软件进行数值建模分析，计算了不同软土深度对桥梁的影响：随淤泥土层深度的加深，第一联梁体最大位移、桩身最大弯矩及侧向位移随之增大，且最大位移及弯矩出现的位置随淤泥土层深度的加深下移，说明随淤泥深度的加深，软弱土体主动土压力最大的位置下移。并且在本模型工况的情况下桩柱侧向位移为0的位置约在淤泥地层下方15 m左右的位置。因此堆载工程对周围结构物的影响因素中，软弱土层深度是非常重要的因素。在软土地基上若施工堆载工程，则应当先考察现场软土层深度，再进行堆载工程最为合理。