堆载距离对周围结构物影响研究

李思江， 孟维正

(西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

软土是在沿海、沿河地区的饱和软黏性土，普遍具有天然含水量高、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点[1-2]。经TAVENASF[3],MALEKMSMADI[4]等人研究，在软土地区进行工程建设如若遇到周边出现堆载工程，建造的结构物可能会出现较大的水平形变，当变形过大时还会影响结构物的正常使用。因此对于在软土地基上修筑的桥梁及基础工程，若在其周边范围内进行大规模的堆载工程定会导致结构物的水平变形及沉降等问题。大量工程实践结果显示，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[5-6]。

本文主要研究堆载距离对桥梁桩基的影响，本文以福建某公路桥为背景，分析堆载距离对1#桩柱及梁体的影响。

1 模型说明

土层分布：1#桩处土层由上至下分布为：41m淤泥、4m卵石土、2m淤泥、4m卵石土、2m淤泥、2m卵石土、4m强风化凝灰岩、13m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。

本文主要分析堆载距离对梁体以及1#桩柱的影响。在所有参数不变的情况下，仅改变堆载坡脚与1-0#桩柱中心的距离。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。

(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7m。

(4)堆载方式采用从左至右依次堆载的方式。

表1 土参数选取

表2 墩、桩参数选取

表3 上部结构参数选取

(5)堆载距离根据模型设置，依次计算堆载坡脚至1-0#桩柱中心为121m、105m、90m、76m、64m、53m、43m、37m、30m、17m、7m的结果，详见堆载示意图2。

图2 堆载距离示意

2 填土距离对桩柱位移影响

由图3、图4可以发现：堆载工程虽对附近的桥梁桩基影响较大，但在堆载距离较远时对桥体桩基并不会产生影响。当堆载坡脚距离为121m时，桥梁桩基横桥向位移基本与纵坐标轴重合，位移为0。当堆载距离1-0#桩柱中心105m时已有较大影响，当堆载完成，距离为7m时，桩基侧向位移达到38cm。由图表可以看出桩柱在软弱土层中的横桥向位移较大，在硬土层中的横桥向位移小，在堆载作用下1#桩柱的位移由墩顶向下先增大后随深度增加而逐渐减小。

图3 1-0#桩柱侧向位移

图4 1-1#桩柱侧向位移

对比各堆载距离可以发现：

(1)当堆载距离较远时，堆载对结构物无影响，本模型为121m；

(2)桩柱在土体中的整体变形趋势在各堆载距离时并未发生改变，均是在桩高程为-24～-16m附近位移较大，两端位移较小，由于是嵌岩桩，桩底的侧向位移为0；

(3)桩柱整体的侧向位移则随着堆载距离的减小而不断增大，且距离越近，增加幅度越大，关系类似对数曲线。

对比1#左右桩柱1-0#与1-1#可以发现：

(1)左右桩受土压力影响，侧向位移趋势相同，墩顶由于盖梁约束位移相同；

(2)在相同堆载距离时由于靠近堆载的桩柱比远离堆载的桩柱受到主动土压力较大，因此1-0#桩柱的侧向位移普遍大于远离堆载侧的1-1#桩柱。

3 填土距离对桩柱弯矩影响

由图5、图6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，但在堆载距离较远时对桥体桩基并不会产生影响。当堆载坡脚距离为121m时，桥梁桩身弯矩较小且桩身弯矩变化规律不明显。但当堆载距离为76m时桩身弯矩迅速增大，最大弯矩达到3×106N·m；当堆载距离为43m时，桩身弯矩相对堆载距离76m时增大约1倍；当堆载完成，距离为7m时，1-0#桩身弯矩大小超过9×106N·m，墩顶弯矩最大1-0#墩顶弯矩超过1×107N·m。由图可以看出桩在软弱土层中在堆载的作用下受到主动土压力较大，导致正向弯矩增大，在下部土质较好的土层中被动土压力较大，抵抗桩身变形，提供支撑反力。

图5 1-0#桩柱横桥向弯矩

图6 1-1#桩柱横桥向弯矩

对比各堆载距离下1#桩柱的弯矩图可以发现：

(1)桩柱的弯矩大小随堆载距离的减小而增大；

(2)桩柱的整体弯矩趋势在各堆载距离时并未发生较大改变，仅桩身最大弯矩随堆载距离的减小有所下移；

(3)在桩高程-40m以下时桩身弯矩成为波浪状分布，并不是平滑的抛物线形。由于此处为卵石土层与淤泥土层相间分布区域，卵石土层较淤泥土层土质好，能适当抵抗桩体受到的外力影响，但淤泥土受堆载土影响较大。

4 填土距离对梁位移影响

以0#桥台为纵桥向零点，各墩柱间、墩柱与桥台间距均为30m，取梁中心点的侧向位移数据，绘制图7、图8。

通过梁体的变形可以发现，堆载距离为121m时，梁体的侧向位移基本为0，与纵坐标轴重合，说明在本工况下当堆载距离结构物121m以上时，对桥梁的上部结构基本没有影响；当堆载距离为76m时，此时梁体的侧向位移相对较小，梁体最大侧向位移为4cm，位于2#桩柱处，1#桩柱处与3#桩柱处侧向位移均为3cm左右，4#桩柱处为2cm；当堆载距离为43m时，梁体的侧向位移迅速增大2#桩柱处位移增加到14cm，1#桩柱处位移增加到10cm，0#台处侧向位移为4.5cm，此时梁体已经形成明显的平面转动的趋势；当堆载完成，堆载距离7m时，结合3.4节中结果分析可以得到：1#、2#桩基受淤泥质土主动土压力影响产生较大的形变，1#、2#墩柱及盖梁也相应向右侧位移，通过支座带动梁体向右侧位移。由于梁体刚度较大，梁体自身并未发生破坏及形变，仅在平面内发生位移和转动，此时梁体在4#墩处位移最大，且0#台处桩基采用管桩群加固，桥台位移较小，因此桥台上梁体的位移也相对较小，0#台处梁体位移最小。

4#桩柱位于两联梁的分界处，由图7可以发现第一联梁体的位移远远大于第二联梁体的位移，因此在4#桩盖梁处第一联梁体通过支座使盖梁向远离堆载土方向的方向移动，但第二联梁体整体侧向位移较小，约束了4#盖梁向右侧(远离堆载土侧)移动，从图中表现形式为：梁体的侧向变形并不是一条直线， 在4#桩柱处梁体的位移明显有向左侧反弯的趋势，在堆载距离较远的情况下越明显，如堆载距离为76m时，2#桩柱处梁体位移为4cm，但4#桩柱处梁体的位移只有2cm。

图7 梁侧向位移(两联梁)

5 结论

本文通过FLAC3D进行数值建模，分析了不同堆载距离对桩柱变形的影响：

(1)不同堆载距离与桩基变形和内力的变化表现出类似对数曲线的变化性质，当堆载距离较远时，随距离的缩短，桩基变形和内力逐渐增加，当距离较近时，随间距缩短，桩基变形和内力迅速增加。当堆载与桥梁距离足够远时，桥梁受堆载影响很小，在本工程中当堆载距离为121m时，堆载对无影响，整体的侧向位移基本为0，弯矩也无明显增大。

图8 梁侧向位移(第一联梁)

(2)粱位移随堆载距离的缩短逐渐增大，直至梁体发生平面转动后位移急剧增大。