软土地区公路路基沉降对临近桥梁结构受力影响

杜仕朝, 康春霞, 刘晓东, 邬晓光

(1. 中路高科交通检测检验认证有限公司, 北京 100088;2. 河北建筑工程学院 经济管理学院, 河北 张家口 0750004;3. 北京中交桥宇科技有限公司, 北京 100102;4. 长安大学 公路学院, 陕西 西安 710024)

进入21世纪以来,我国的基础设施建设取得了迅猛发展,高速公路的修建里程也取得了重要突破,并成为拉近各地区距离、促进当地经济发展的重要纽带.我国幅员辽阔、地质地貌复杂,因此高速公路不可避免地穿越软土地区,并受到软土特性的影响.软土主要是由淤泥、淤泥质土、淤泥质粉质黏土等组成,一般具有含水量大、渗透性低和塑性指数大等特性,软土地基在施工及后期运营过程中易发生沉陷、开裂等病害,一方面会严重影响道路的使用寿命和行车舒适性,另一方面会对其临近的桥梁、建筑等结构物受力产生不利影响[1-5].因此加强软土地区公路路基沉降对临近桥梁结构受力影响研究成为当前工程界急需解决的问题.

目前国内外众多学者针对软土地区公路路基沉降对临近桥梁结构受力影响进行了较为深入的研究.Chai[6]等基于灰色系统模型对软土地区路基沉降进行预测分析,为路基施工工序、施工精度和相邻桥梁桥墩受力等提供指导,确保后期路基变形稳定;陈洪涛等运用有限元软件 PLAXIS 建立软土路基截面平面数值模型,分析了软土路基填方高度、排水桩间距、真空压力及填筑速率对路基竖向沉降的影响,并提出真空压力选取 80 kPa 路基最为稳定的结论[7];姜献东等等通过调整岩溶软土区高速公路复合地基参数对路基沉降敏感性进行分析,并提出了适当增大 CFG桩径可明显减少复合地基沉降等结论[8].然而上述研究成果多集中于软土地区公路路基自身沉降的机理和影响因素,而软土地区公路路基沉降对临近桥梁结构受力影响的研究相对较少.因此,本文以云南省某特大桥及其辅路为工程依托,基于真三维岩土工程有限元软件ZSOIL.PC v2016对软土地基沉降后场地整体位移、临近桥梁桩基弯矩和桩基负摩阻力、桥墩内力和位移进行研究,为后期维修加固设计提供依据,并为软土地区同类型桥梁处理提供参考.

1 工程依托

云南省某特大桥位于高峣至海口高速公路第1合同段,桥梁上部结构采用简支工形组合梁,梁高为1.4 m,单幅横向布置6片,预制主梁;桥梁下部结构桥墩为双柱式墩,柱间距为7.0 m;基础采用双排灌注桩基础,工字形承台;支座在分联桥墩处采用圆形四氟滑板支座,其余位置均采用圆形板式橡胶支座.高峣至海口高速公路桩号辅K1+669.23至辅K1+939.22为辅道部分,与该特大桥并行,见图1和图2所示.

图1 特大桥及辅道实拍Fig.1 The photo of bridge and auxiliary road

图2 桥梁与辅路相对位置Fig.2 Relative position of bridge and auxiliary road

该特大桥地处滇池西岸,桥梁左侧200 m外为昆明西山,桥梁右侧为滇池湖盆边缘,地势开阔平坦.桥位处地层主要为第4系湖积层地质单元,分布大量黏性土、淤泥质土.根据现场调查及地质勘察,该特大桥辅路路基下存在较厚的软土层,同时设计和施工没有做充分软基处理,造成在路基回填及车辆荷载等附加荷载作用下,路面产生较大的沉降.同时由于不同路段的加载效率不一致以及地质情况略有差别引起辅路路基沉降不均匀,进一步引起该桥承台开裂、桥墩开裂以及上部梁体偏移等病害.本文基于瑞士联邦理工学院开发的真三维岩土工程有限元软件ZSOIL.PC v2016对软土地区公路路基沉降对临近桥梁结构受力机理进行分析,为该特大桥后期维修加固提供技术依托.

2 有限元数值模拟

2.1 有限元分析软件

本数值分析采用瑞士联邦理工学院开发的真三维岩土工程有限元软件ZSOIL.PC v2016.该软件在设计、咨询、研究领域取得了巨大的成功,涵盖了现实世界中可能遇见的所有的岩土工程问题,提供了解决土力学和岩石力学、地下结构、基坑开挖、土-结构相互作用、地下水和温度分析的统一方法[9-10].桥梁结构与路堤关系见图3所示.

图3 桥梁结构与路堤关系Fig.3 The relationship between bridge structure and embankment

2.2 模型参数选取

土体固结是一个复杂的岩土力学变化过程,因此,模拟土体固结过程需要选择能够正确反映土体真实应力状态的本构模型.本研究采用Mohr-Coulomb模型,土体单元采用六面体单元[11].

桥面、工字型组合梁、盖梁采用ZSOIL中内置的Continuum for structures单元进行模拟;桥墩采用ZSOIL中内置的Beam单元模拟,Beam单元可根据实际工程设置截面参数,包括截面形状、截面尺寸、结构参数等;承台采用ZSOIL内置的Shell结构单元模拟;桩基采用ZSOIL中内置的Pile模拟.

地层空间分布模拟采用ZSOIL的三维地质钻孔空间插值技术进行非线性(指数型、高斯曲线型)模拟,通过输入地层的厚度等自动运算生成[12].

在桥面及路面施加均布竖向均布载荷以模拟交通载荷的作用,参考相关设计规范,并结合现场实地考察,取载荷值大小为13 kPa,载荷开始作用时间设置为路堤施工结束后30 d.

相关模型参数见表1所示.

表1 结构单元主要参数Table 1 Main parameters of structural unit

2.3 施工工况模拟

施工工况分为初始地应力生成阶段、灌注桩施工阶段、桥梁承台施工阶段、桥墩和盖梁施工阶段、工字梁施工阶段、桥面施工阶段、路堤的堆载阶段以及交通载荷施加阶段,分别见图4～图11.其中交通载荷施加取单独辅道加载、单独桥梁加载、辅道和桥梁共同加载最不利工况.

图4 初始地应力生成Fig.4 Initial geostress generation

图5 灌注桩施工Fig.5 Cast in place pile construction

图6 桥梁承台施工Fig.6 Construction of bridge bearing platform

图7 桥墩和盖梁施工Fig.7 Construction of pier and bent cap

图8 工字梁施工Fig.8 Construction of I beam

图9 桥面施工Fig.9 Construction of deck

图10 路堤的堆载Fig.10 Construction of surcharge of embankment

图11 交通载荷施加Fig.11 Traffic load application

3 分析结果

3.1 模型整体位移场

承台中心处竖向位移整体剖面云图和局部位移场剖面云图分别见图12和图13所示.

图12 模型剖面竖向位移云图(单位:m)Fig.12 Cloud chart of vertical displacement of model section (unit: m)

图13 模型局部竖向位移场(单位:m)Fig.13 Local vertical displacement field of model (unit: m)

从图12和图13中可以看出,路堤最大竖向位移约为90.3 cm,在现场路面沉降实测值范围内;产生竖向沉降的区域大约在以路堤为中心的15 m范围内,在此范围以外的区域未发生沉降,部分区域地面隆起;受桩基的约束作用,滇池侧竖向沉降的影响深度(大约为35 m)较辅路侧(大约为20 m)更深,但辅路侧竖向沉降在水平向的影响范围较滇池侧范围更大.

3.2 桥梁结构位移

桥梁结构竖向位移(为方便观察,将位移放大)见图14所示.由图14可以看出:由于辅道沉降,桥梁结构产生了偏向滇池侧的水平位移,位移的范围大约在1/2桩长深度以上;右幅桥较左幅桥水平向位移更大;右幅桥的竖向沉降较左幅桥更大,最大沉降约为2.258 cm左右,与现场检测得到的最大沉降值2.6 cm接近.为获取桥梁的不均匀沉降数据,取左幅桥与右幅桥承台与桥墩接触处竖向沉降数据,结果得到左幅桥不均匀沉降值为0.002 m,右幅桥不均匀沉降值为0.013 m,表明左幅桥与右幅桥均发生了不均匀沉降,右幅桥的不均匀沉降较左幅桥更大,不均匀沉降的模拟结果与现场实测数据接近.

图14 桥梁结构竖向位移Fig.14 Vertical displacement of bridge structure

3.3 桩基弯矩

图15 桩基弯矩 (取一个承台)Fig.15 Bending moment of pile foundation

3.4 桩基负摩阻力

影响桩侧负摩阻力的因素很多,如桩-土相对位移、基桩的支承条件、土的类别、时间效应、桩周土体沉降发展过程以及桩的施工工艺等.对于桩基负摩阻力,一般仅能进行定性的评估,而难以进行定量的计算.ZSOIL软件无法直接导出桩基负摩阻力的数据,但可以通过将桩基等分,对每段桩基进行受力分析,得到每段桩的负摩阻力值大小及方向.通过计算得到2号桩和4号桩的负摩阻力值,结果见表2,表中“—”表示不存在负摩阻力.

表2 2号和4号桩负摩阻力值Table 2 Negative skin friction values of No.2 and No.4 piles

从表2中可以看出,2号桩的负摩阻力影响深度达到了46.452 m,4号桩的负摩阻力影响深度达到了28.756 m,尽管2号桩的负摩阻力影响深度较大,但作用在2号桩上的负摩阻力大小普遍较作用在4号桩上的负摩阻力小.

3.5 桥墩弯矩

右幅墩顶不添加固定约束和添加固定约束时桥墩的弯矩如图16所示.

(a) 右幅墩顶不添加固定约束(b) 右幅墩顶添加固定约束

由图16(a)中可以看出,单纯由于不均匀沉降引起的桥墩弯矩很小,可以判断不均匀沉降不是导致桥墩环向裂缝的主要原因.由图16(b)中可以看出,右幅桥滇池侧出现了很大的弯矩,因此右幅桥桥墩出现环向裂缝的主要原因是由于桥墩的顶部和底部有固定约束作用,而桥墩中部由于不均匀沉降产生水平力作用而出现弯矩,导致在桥墩滇池测出现环向裂缝.

3.6 沉降变化趋势预测

由于软土地区公路路基不采取任何加固措施时软土路堤沉降处于不稳定状态,3年后其沉降速率虽会减慢,但其沉降值会逐渐增加,3年后(2023年)桩基弯矩预测值及模型剖面竖向位移预测值分别见图17和图18所示.整理得到的路堤工后沉降与时间关系图如图19所示.

图17 2023年桩基弯矩预测值(取一个承台)Fig.17 Predicted bending moment of pile foundation in 2023

图18 2023年模型剖面竖向位移预测Fig.18 Predicted vertical displacement of model section in 2023

图19 路堤工后沉降与时间关系Fig.19 Relationship between post construction settlement and time of embankment

由图17可以看出,桩基的最大弯矩为759 kN·m,较2016年的552.3 kN·m(见图15)数值增加了37.4%,表明桩基在未来的几年内受力会进一步增大.由图18中可以看出,路堤中心最大工后沉降值为1.208 m.由图19中可以看出,从2016年到2023年,路堤的工后沉降值增加约0.297 m,平均每年增加0.042 m左右,路堤沉降速率有减小的趋势,但沉降值仍然在每年增大,因此急需采取必要的加固措施抑制沉降的进一步发展.

4 结 论

本文以云南省某特大桥及其辅路为工程依托,基于真三维岩土工程有限元软件ZSOIL.PC v2016对软土地基沉降后桥梁桩基、桥墩内力和位移进行研究,预测了2023年结构内力和位移值,为后期维修加固设计提供依据,并为软土地区同类型桥梁处理提供参考.

通过研究得出如下结论.

1) 软土地区路堤产生竖向不均匀沉降的区域大约在以路堤为中心的15 m范围内,滇池侧竖向沉降的影响深度较辅道侧更大;路堤下地基土产生了竖向沉降及水平向挤出,辅道侧产生水平位移的区域比滇池侧更大.

2) 滇池侧桥墩桩基不存在负摩阻力效应,辅道侧桩基在一定深度范围内存在负摩阻力效应,且靠近辅道的桩基负摩阻力值更大.

3) 软土路基沉降时临近桥墩发生不均匀沉降,由于桥墩顶部和底部嵌固作用将在墩顶截面产生较大弯矩并产生环向裂缝.

4) 软土地区公路路基不采取任何加固措施时路堤沉降将处于不稳定状态,3年后其沉降速率虽会减慢但其沉降值会逐渐增加,且相邻结构受力会进一步增大.