堆载作用对桥梁桩基位移的控制技术研究

葛志平 李中浩 奚晓广 潘 宁 许四法

(1.腾达建设集团股份有限公司，上海 200122； 2.浙江工业大学岩土工程研究所，浙江 杭州 310023)

随着城市化建设的推进，人们对出行的要求也不断提高，桥梁建设是加速交通发展至关重要的一环。由于土地资源日趋紧缺，在既有桥梁周围会不可避免的出现堆载，从而导致对桩基的变形。台州湾循环经济产业集聚区广泛分布吹填土，该区域吹填土形成时间短，固结程度差，承载力极低，属于欠固结、高压缩性土。国内外的学术界及工程界对吹填土的性质有了较广泛的认识，但目前对吹填土区桥梁桩基水平位移控制研究较少，缺乏对工程的直接指导作用。由于大范围堆载势必会引起桥梁桩基水平向变形等问题，因此进行吹填土区域桥梁桩基水平位移的控制技术项目的研究很有必要，同时也有利于提高企业的核心技术竞争力。

本文在分析影响桩基水平位移因素的基础上，采用理论分析、现场监测和有限元分析方法，研究周围环境对桩基水平位移的影响程度以及控制措施。本文分析桥台背土压力随填土高度变化的分布规律，提出作用在桥台背土压力的计算方法；采用有限元分析高压旋喷桩桩长、布置形式和处理范围等因素对桩基水平位移的影响，建立桥台背填土高度与桩基水平位移之间的p—y曲线；采用有限元分析堆载的高度与离桩基的距离对桩基的影响。

1 工程概况

台州湾循环经济产业集聚区范围北起临海市红脚岩南端，南至温岭市松门镇北端，东抵沿海，西至台东大道，总面积约562 km2。施工环境如图1所示。

本工程依托于东部新区的月湖南路跨长浦河桥，长浦河位于甲南大道以南，长浦大道以北，规划河宽60 m，通航等级为准七级航道。月湖南路跨越长浦河设置本桥梁，桥梁孔跨布置5×16 m预应力混凝土空心板梁桥，桩基均采用φ1 200钻孔灌注桩，钻长82 m与83 m。

该区域表层广泛分布吹填土，其下存在深厚淤泥质土：主要为①-3吹填土(厚度约为1 m)，③-1淤泥质土(厚度约为13 m)，③-2淤泥质土(厚度约为15 m)，③-3黏土(厚度约为3 m)，④-1粉质黏土(厚度约为8 m)。

围护结构深度所涉及土层大致分为：①杂填土主要由黏性土混碎块石组成，深度范围为0 m～2.1 m；②砂质粉土，深度范围为2.1 m～5.7 m；③砂质粉土夹粉砂,深度范围为5.7 m～12.3 m；④粉砂，深度范围为12.3 m～19.6 m；⑤砂质粉土夹淤泥粉质黏土,深度范围为19.6 m～25.2 m。土层物理参数见表1。

表1 土体物理参数

该堆载工程施工方案为单侧堆载，通过运用MIDAS GTS模拟堆载对桥梁桩基影响，并建立三维数值分析模型，桥墩的侧面为堆载土体，模型尺寸为100 m×80 m×120 m。

2 堆载作用对桥梁桩基的影响

在桥梁桩基附近进行堆载，会对周围的环境造成一定程度的影响。由于堆载作用，桥梁桩基周围的土体的土压力会发生改变，从而对桥梁桩基产生不同程度的位移变形。为明确桥堆载作用对桥梁桩基水平位移的变形规律，本章通过数值模拟方法对其进行研究，并对计算结果对比分析。

2.1 三维模型的建立

几何模型X轴垂直于堆载在区域边界，Y轴沿大桥走向，Z轴垂直于地面向上。左侧为堆载，层数为1层～4层不等，距离桥头桩基为5 m～30 m不等。将现场模型简化为堆载对桥梁桥头桩基的水平位移作用，承台Y方向宽度为30 m，X方向长度为20 m，承台高度为3 m。计算模型及其网格划分如图2,图3所示。

2.2 边界条件

对模型的底部施加X,Y,Z三个方向的约束，对模型四周施加法向约束，而模型顶部为自由面，不设置任何约束，对桥桩基顶部施加三个方向的旋转约束。桩基础与承台设为刚性连接。模型的土层选用MC构模型，桩基础为钻孔灌注桩和高压旋喷桩，运用MIDAS GTS单元结构中的梁单元进行定义。

马铃薯适合砂壤土种植，深耕可使土壤疏松，透气性好，并可提高土壤的蓄水、保肥和抗旱能力，改善土壤的物理性状，为马铃薯的根系充分发育和薯块膨大创造良好的条件。马铃薯的须根穿透力差，土壤疏松有利于根系的生长发育，根系在土壤中发育得愈好，植株生长势愈强，产量愈高，特别是对前期生长比较缓慢的品种尤为重要。

2.3 计算步骤

1)初始地应力计算。对计算区域内的土体进行网格划分，对各层土质采用MMC模型。首先模拟的是天然条件下的初始地应力，然后选择位移清零来忽略初始土体位移场，以确保后续计算的准确性。

2)桩基和围护结构施工计算。首先进行围护结构的模拟，在土中模拟钻孔灌注桩的施工，设置桩土之间的接触系数确保与实际相符。之后将桩基固定到承台上，设置为固定约束。然后在灌注桩周围模拟旋喷桩的施工，旋喷桩与承台也是固定约束。

3)进行堆载。分四个阶段进行堆载，每一个施工阶段进行一层的素填土堆载，总计为四层。

2.4 计算结果分析

通过利用软件MIDAS GTS对不同堆载条件、不同土层参数和不同高压旋喷桩数量等分别对桥梁桩基水平位移的变化规律进行详细的分析。如图4～图9是不同堆载距离对桥梁桩基的数值模拟结果。

从图10中可以看出，前排桩体最大位移分别为21 mm,19.1 mm,18.2 mm。由此得出，随着堆载与桥梁桩基距离的增加，堆载对桥桩的影响逐渐变小，桩身最大位移也呈下降趋势。

3 堆载作用下高压旋喷桩对桥桩基变形影响

通过上文可知在堆载作用的影响下，临近的桩基水平位移变形会产生较大的变化，而对在桥桩基周围进行高压旋喷桩的施工处理会在一定程度上减小软土地基变形。本节主要考虑在相同堆载条件下，通过改变高压旋喷桩的数量、深度来模拟临近大面积堆载工程对桥梁桩基变形与内力的影响，分析其变化规律。

3.1 高压旋喷桩长度对桩基位移影响

通过利用软件MIDAS GTS对高压旋喷桩长度对堆载邻近桩基的水平位移的变化规律进行详细的分析。图11是不同旋喷桩长度对桥梁桩基的数值模拟结果。

从图11中可以看出，桥梁桩体最大位移分别为4.63 mm,4.32 mm,3.92 mm和3.57 mm。堆载对桥梁桩基的影响随着高压旋喷桩深度的增大而逐渐减小，旋喷桩加固越深，桩身最大位移越小。由此可得，适当增加高压旋喷桩的长度来减少堆载对桥桩基水平位移的影响。

3.2 高压旋喷桩数量对桩基位移影响

通过利用软件MIDAS GTS模拟在不同数量高旋喷桩条件下，桥梁桩基的位移变化。

从图12中可以看出，桥梁桩体最大位移分别为4.63 mm,3.95 mm,3.46 mm。随着高压旋喷桩数量的增加，桩身的最大水平侧移也越来越小，堆载对桩的影响逐渐减小。由此可得，适当增加高压旋喷桩的数量来减少堆载对桥桩基水平位移的影响。

4 堆载作用下高压旋喷桩对桥桩基变形影响

通过利用软件MIDAS GTS对桥台背填土高度对堆载邻近桩基的水平位移、桩身轴力和桩身弯矩的变化规律进行详细的分析(其中桩身的最大位移、最大弯矩和最大轴力随各参数改变的趋势图只考虑前排桩身)。图13，图14是不同填土高度对桥梁桩基的数值模拟结果。

从图13，图14中可以看出，桥梁桩体最大位移分别为25.5 mm,30.6 mm。随着填土高度的增加，桩身的最大水平侧移也越来越大，桥桩基的土压力也呈上升趋势。

5 结语

本文首先确立堆载工程对桥梁桩基的影响研究方向，对前人关于深厚软土地区大面积堆载工程对临近桩基变形影响的成果进行总结。以台州湾沿海某桥梁工程为例，进行数值模拟以及理论计算研究，探究堆载对桥桩基位移的影响。得到以下研究结果：1)在软土地基上进行大面积堆载工程施工会对桥梁桩基造成一定程度上的变形影响。堆载对桩基变形作用随着堆载距离的增加而减少，因此，可以适当增加堆载离桥梁的距离，以此减少堆载工程对桥桩的影响。 2)为减小堆载对桥梁工程的影响，确保在堆载施工过程中桥梁的安全运行，对桥梁桩基周围进行高压旋喷桩的施工。经过有限元模拟得出，适当增加高压旋喷桩的长度与数量，可以有效减少桥桩的位移变形。3)探究了桥桩背部填土深度对桥桩基的影响。通过软件模拟得出，桥桩背部填土厚度越大，土压力越大，土层变形也越大，对桥梁桩基的影响增加。