基坑回填对膨胀土边坡桥梁基础影响研究

2020-09-27杨立功李建东张宇亭

水道港口 2020年4期

夏伟，杨立功, 李建东, 张宇亭

(1.安徽省交通勘察设计院有限公司, 合肥 230011; 2.交通运输部天津水运工程科学研究所, 天津 300456)

膨胀土是在自然地质过程中形成的一种具有显著胀缩性的高分散性、高塑性的粘土，一般情况下在经历干湿循环后，膨胀土的胀缩变形具有不可逆性，且随循环次数的增加而增加[1]。膨胀土吸水产生膨胀的过程，本质上是水膜形成并且厚度增加，在黏土颗粒间形成一种“楔”力，使颗粒间距增加，孔隙变大的过程[2]。伴随干湿循环，膨胀土强度也会有所降低[3-5]。

膨胀土边坡桥梁基础施工时需开挖基坑，在桥梁基础施工完成后对基坑进行回填。由于膨胀土的特殊性，不同基坑回填料、不同回填方式下，在基坑回填完成后，膨胀土边坡对桥梁基础的作用也不同。叶虔等[6]进行了复杂地质条件下基坑回填沉降变形的研究，王勇强等[7]进行了滨海软土地区不同回填料的回填效果的研究，王小健等[8]进行了超软土地基上船闸基坑回填期位移控制技术的研究，李兴文等[9]进行了回填质量对基础影响的研究，强鲁斌等[10]进行了膨胀土基坑回填处理方法的研究。

基坑回填对膨胀土边坡上桥梁基础影响是一个复杂的系统，影响因素较多，目前对这方面的研究基本没有。本文主要针对不同回填材料、不同基坑坡比两种条件，采用数值模拟方法研究基坑回填对膨胀土边坡桥梁基础的影响。由于桥梁基础尺寸一般较小、承台埋深也较浅，在边坡上放坡开挖基坑是比较常见的施工方式，采用1:1、1:0.75、1:0.5三种坡比进行；五种回填材料包括原状膨胀土、弱膨胀土掺水泥、弱膨胀土掺碎石、素混凝土及泡沫混凝土。

1 温度场模拟非饱和土渗流场理论

含水率对膨胀性质有显著影响，因此进行膨胀土分析首先要分析土体含水率变化及分布情况。温度场控制方程与渗流场、湿度场控制方程具有相似性[11]，温度场变化会引起土体体积变化，同样，湿度场变化也会引起土体体积变化。因此，将土体含水率变化看作温度变化，将温度场与湿度场之间建立转换关系，通过温度场来模拟湿度场，从而实现膨胀土边坡稳定性的模拟。温度场与非饱和土渗流场等价需满足3个条件：吸湿膨胀变形与升温膨胀变形等价、渗透系数与热传导系数等价、升温膨胀力与吸湿膨胀力等价。

1.1 吸湿膨胀变形与升温膨胀变形等价

膨胀土吸水后含水率发生变化，对于非饱和膨胀土，含水率的变化一方面会导致非饱和土体的吸湿回弹，另一方面会导致膨胀土的膨胀变形。非饱和膨胀土的变形进而引起湿度应力场的变化，根据湿度应力场和温度应力场理论控制微分方程系统存在相似性[11]，可利用温度应力场理论的有限差分法来分析湿度应力场问题。两种理论有着共同的线膨胀形式，温度变化产生的应变ε及含水量变化产生的应变δ可表示为

(1)

式中：α、β分别为温度、湿度线膨胀系数；△T、△w分别为单位体积土体温度、含水率变化量。

当两者应变相等时，可以利用温度场应力理论等效计算湿度应力场的应变与应力。

张连杰[12]经过推导，得出

(2)

式中：δH为试验所得无荷膨胀率；△w为含水率变化。

取现场膨胀土进行试验，得到无荷膨胀率与含水率关系如图1所示，浸水曲线初始阶段近似为线性[13]，通过线性拟合得到不同初始含水率条件下膨胀土吸湿膨胀系数与温度膨胀系数，如表1所示。

图1 无荷膨胀率与含水率关系Fig.1 Relationship between uncharged expansion rate and water content

表1 膨胀土膨胀系数Tab.1 Coefficient of expansion of expansive soil

1.2 渗透系数与热传导系数等价

含水率变化过程中，土体弹性模量Eij、泊松比μij、粘聚力c、内摩擦角φ都随之变化。

根据王钊[14]、刘小文[15]的试验结果，非饱和土基质吸力与含水率之间有以下关系

θw=a+bln(uw+c)

(3)

(4)

不考虑孔隙气压变化，将式(3)代入式(4)，并用质量含水率表示

(5)

式中：a、b为试验常数。用温度场模拟湿度场，假定kx=ky=kz、λx=λy=λz，将λ代替k，将热传导系数与渗透系数等价(由文献[11]中热传导方程与非饱和土渗流方程得出)，即

(6)

(7)

1.3 升温膨胀力与吸湿膨胀力等价

由温度变化引起的膨胀力变化可表示为

△pT=3K△Tα

(8)

式中：K为体积模量。

由膨胀土吸湿试验可获得膨胀土吸湿膨胀力是含水率变化的函数

△pw=f(△w)

(9)

温度膨胀力与湿度膨胀力相等时，将式(9)代入式(8)可得

(10)

为方便模拟，采用文献[16]的方法，以Mohr-Coulomb弹塑性本构模型为基础，将湿度变化引起的膨胀变形加到Mohr-Coulomb本构模型中

(11)

用温度场模拟湿度场时，将式(7)的热传导系数代替渗透系数、将式(2)的温度膨胀系数代替湿度膨胀系数，将式(10)中湿度变化替换成温度变化，便可以通过温度场来等价模拟湿度场。干密度1.45 g/cm3、初始含水率15%的膨胀土(饱和含水率35%)，在不同含水率条件下，其力学指标、热传导指标如表2所示。

表2 膨胀土模型参数Tab.2 Model parameters of expansive soil

2 抗滑桩对膨胀土边坡桥梁基础影响分析

2.1 模型建立

边坡高24 m，分4级，每级高6 m，坡比为1:3，由于渠道通航要求，桥梁桩基础位于坡上，桥梁基础(包括桥墩及桩基础)尺寸如表3所示，所建立的数值模型如图2所示。模型中坡顶所有土层总厚度为53 m、坡底所有土层总厚度为29 m，模型宽52 m，长115 m。桥梁基础位于二级边坡上，承台底面(基坑底面)与膨胀土层底面位于同一标高。

表3 桥梁基础几何尺寸Tab.3 Bridge foundation geometry

图2 边坡开挖对桥梁基础影响计算模型Fig.2 Calculation model of influence of slope excavation on bridge foundation

边坡上部的膨胀土(厚度22 m)采用第1节的方法与参数进行模拟。对砂土层(厚度23 m)采用Mohr-Coulomb本构模型，密度2 g/cm3，弹性模量60 MPa，内摩擦角29°，粘聚力0 kPa；最下一层为8m厚基岩层，采用线弹性本构模型，弹性模量100 MPa，密度2.2 g/cm3。为方便计算，对砂土及基岩也采用温度与位移耦合的三维实体单元，但其温度膨胀系数取值相对膨胀土很小，其膨胀量可以忽略。对桥梁及基础采用线弹性本构模型，弹性模量30 GPa，密度2.45 g/cm3。

埋入土体内部的桥墩、承台及桩基与土体之间建立硬接触，膨胀土与结构之间的摩擦系数取值0.2，砂土及基岩与结构之间的摩擦系数取值0.24。

结构(包括桥梁、桩基、桥墩、承台、桥台及桥台桩基)采用三维八节点弹性实体单元，边坡土体采用温度与位移耦合的三维八节点弹塑性实体单元。

对土体模型侧面、桥梁中轴断面施加相应法向位移约束、土体模型底面约束3个方向位移、坡底土体侧面(整个渠道中轴面)、桥梁中轴断面约束其转动位移。对整个模型施加10 m/s2的重力加速度，对整个土体模型施加初始温度场(15℃对应的土体初始含水率为15%)，对边坡坡面施加表面温度，土体饱和时对应的表面温度按表2中的参数进行取值。

模拟时，对基坑开挖完后的状态(图2)进行地应力平衡，然后进行后续基坑回填及降雨模拟。

2.2 结果分析

2.2.1 基坑回填不同材料时降雨条件下桥梁基础水平位移

基坑回填不同材料时，降雨条件下桥梁基础(承台顶面中心及桥墩顶部)水平位移随降雨时间变化如图3所示。当基坑回填原状膨胀土时，渠道边坡最容易滑坡(短时间降雨便会引起滑坡)，而且在相同时刻，回填原状膨胀土时桥梁基础的水平位移最大，因此原状膨胀土是最不可取的回填材料。当基坑回填泡沫混凝土及素混凝土时，降雨时桥梁基础也会发生较大水平位移，但回填泡沫混凝土时桥梁基础水平位移要大于回填素混凝土(素混凝土密度较大，一定程度上减少边坡滑坡对桥梁基础的影响)。相比之下，回填弱膨胀土掺石子或弱膨胀土掺水泥时，降雨条件下桥梁基础的水平位移较小，但弱膨胀土掺石子时桥梁基础水平位移最小。

3-a 坡比1:1(承台中心) 3-b 坡比1:0.75(承台中心) 3-c 坡比1:0.5(承台中心)

2.2.2 基坑不同坡比时降雨条件下桥梁基础水平位移

基坑不同坡比时，桥梁基础(承台顶面中心)水平位移随降雨时长变化如图4所示。一般情况下，不同坡比时桥梁基础水平位移相差不大，尤其在短时间降雨范围内(一天为8.64×105s)。随着降雨时间增长，不同坡比的基坑其桥梁基础水平位移差别逐渐增大，坡比1∶1时桥梁基础水平位移最大，当坡比为1∶0.5时桥梁基础水平位移最小。

不同坡比(或不同回填材料)条件下，在降雨前期(6×105s范围内)，桥梁基础水平位移变化较快，在此阶段降雨时膨胀土以吸湿膨胀为主，桥梁基础水平位移主要受膨胀土吸湿膨胀影响。降雨一段时间后，桥梁基础位移变缓(此阶段膨胀土膨胀变形已基本完成，强度在不断降低)，长时间降雨后，渠道膨胀土边坡滑坡，桥梁基础水平位移快速增加(膨胀土强度大幅度降低)。

2.2.3 降雨条件下基坑回填对膨胀土边坡桥梁基础的影响机理

回填原状膨胀土与回填其他材料(包括弱膨胀土掺石子或水泥、泡沫混凝土、素混凝土)时，当膨胀土边坡滑坡后，边坡的塑性带发展如图5所示。两种回填模式下，边坡的塑性滑动带基坑时均为弧形，但当回填原状膨胀土时，塑性区域发展到桥梁基础附近时，滑动带会绕桥梁基础发展(图5-a)，当回填其他材料时，塑性区域发展到回填区域时，滑动带会绕回填区域发展(图5-b)。回填原状膨胀土时，当膨胀土边坡滑坡后，滑动带能贯穿回填区域，当回填其他材料，由于回填材料刚度较大，回填体塑性区域不会开展，滑动带不能贯穿回填区域，只能绕回填区域发展。因此在极限降雨条件下，当渠道边坡滑坡后，回填原状膨胀土时，边坡滑动体会直接作用在桥梁基础上(图6-a)，而回填其他材料时，边坡滑动体会直接作用在回填体上，然后通过回填体再作用于桥梁基础上(图6-b)。

5-a 回填原状膨胀土 5-b 回填其他材料图5 长时间降雨后渠道边坡塑性带发展模式Fig.5 Plastic zone development model of channel slope after long time rainfall

当回填体体积越大，滑坡后边坡滑动体作用与回填体上的总体合力越大，继而回填体作用于桥梁基础上的合力也越大(如基坑坡比1∶1)。当回填体刚度越大，回填体变形小，进而对桥梁基础的作用也越大(如回填泡沫混凝土或素混凝土)。因此，回填材料宜选择非膨胀且刚度小的材料，条件允许的情况下，基础基坑坡比也尽可能稍大。