堆土对现有高架桥桩基稳定性的影响分析

2022-08-27林刚

浙江建筑 2022年4期

林刚

赵毅

倪鹏

浙江省地矿勘察院有限公司，浙江杭州 310007

为促进各地区的基础产业及经济的联合发展，我国高速公路工程的建设规模不断扩大［1］。由于高速公路施工过程中会存在大量的挖填方工程，通常上述挖方工程产生的土方往往就近堆置，而这一举措常会使高速公路附近土体应力重新分布，且容易引起桩身周围产生负摩擦阻力，造成桩身轴力增加并产生不均匀沉降［2］，最终可能会导致桥墩、承台甚至上部结构的偏移和沉降，影响高速公路的安全施工及运营。目前，国内学者就大面积堆载对其附近桥梁墩柱结构的影响进行了一系列的研究。黄清［3］采用FLAC3D软件模拟了堆土对被动桩的空间变形和受力状态的影响，结果表明线路两侧堆载会使桥墩结构产生水平位移。顾津申［4］采用ABAQUS软件分析了桥梁附近土方堆积对桥梁结构墩柱沉降变形的影响。邵曼［5］采用数值分析方法分析了软土地区临近高架桥梁的堆土对桥墩及桩基础的影响。聂如松等［6］分析了高速线路附近土方堆积对桥墩桩基础的影响。王晓佳等［7］采用Midas GTS NX 软件分析了堆载对桥梁桩基沉降及侧移的影响。田忠青［8］采用Geo-Studio 软件研究了既有桥梁在堆载作用下桥墩的水平位移的变化规律。冯忠居等［9］监测线路附近堆载对桥梁墩台与桩基的变形情况，并提出了防治建议。

以上研究表明，大面积土体堆载会对临近建筑物或构筑物的桩基产生较大的影响，但目前对浅层硬土、中层或深层软土地区高速公路嵌岩桩临近堆土荷载作用下的桩身稳定性尚未有较深入的研究。本文根据我国东部沿海软土地区实际工程案例，采用Plaxis 3D 软件进行弹塑性有限单元法数值分析，对高速公路在临近堆积土方作用下的影响进行分析研究。

1 工程概况

1.1 工程背景

该工程位于浙江省杭州市内快速路某高架桥梁段落，由于建设工程绿化需要，在该高架线路南、北两侧进行了人工堆土，沿桥纵向分布，北侧设计最高堆载为11.6 m，堆土边缘距机场路高架桥中心线约30 m；南侧设计最高堆载为10.2 m，堆土边缘距该高架桥中心线约为25 m。该高架桥两侧堆土示意图见图1、图2。

图2 南侧堆土示意(单位:m)

工程内地貌类型单一，为冲海积平原，地势平坦，较开阔，平原区地面高程一般在5.1～7.1 m。现状工作区除道路外，原村庄均已拆迁，农田多已废弃。根据收集的资料，工作区地表为层厚不等的填土：浅部地层为冲海积相、冲积相，灰色、灰黄色粉土、粉砂，稍密—中密，厚9.2～18.3 m；中部为海积流塑淤泥质土，厚度4.8～16.3 m，具层理，夹薄层粉土、粉细砂；其下为灰绿色、灰黄色冲湖积相，可塑—硬塑粉质黏土，厚度1.8～9.6 m；中下部为冲积粉细砂、圆砾、卵石等，灰色、灰黄色，中密—密实状，厚度较大，厚度约19.5～35.4 m；底部为白垩系砂砾岩，局部差异风化明显，中风化层夹强风化碎块状，偶夹粉砂岩。桩基持力层为强风化砂砾岩，浅部土层多为粉土、黏土、淤泥质黏土等土层，见表1。工程所在区域河流水系发达，地下水位较高，在进行有限元计算时按0 m水位考虑。

表1 土层分层参数

1.2 高架桥梁设计情况

该高架桥梁上部结构为预应力混凝土箱梁结构，下部基础为群桩基础，连接结构为墩柱（图1），桩基直径为1.5 m，桩长50～70 m，桩间距3.75 m，承台长、宽、高分别为10、10、3 m，桩身纵筋型号为HRB335，桩顶以下20 m 为28B25，桩顶以下20～35 m 为14B25，螺旋箍筋型号为HPB300，桩顶以下5 m为加密区Ф10@100 mm，桩顶以下5～35 m为Ф10@200 mm。

图1 北侧堆土示意(单位:m)

2 计算模型

2.1 有限元模型建立

根据设计图纸，将该高架桥梁箱梁以下部件（包括桥墩、承台、群桩基础、地基和堆土等）进行三维有限元模型建模，计算模型见图3。地基和土堆采用单元离散，承台为C30钢筋混凝土，采用10 节点四面体单元离散，线弹性本构，10 节点四面体单元数量共35881 个。桥墩为C40钢筋混凝土，采用3节点三角形平面板单元离散，单元数量共42个，线弹性本构。基桩为C30 钢筋混凝土，采用Embedded 桩单元模拟，该单元类型自带桩土界面功能，可设置桩侧极限侧摩阻力和极限端阻力，适用于桩土相互作用模拟，单元数量共162 个。模型中各部件的计算参数见表2。其中，为消除模型边界效应的影响，地基模型深度方向由桩基底部向下延伸55 m，地基模型沿高架桥线路方向由桥墩承台向外延85 m，地基模型垂直于高架桥线路方向，北侧由堆土宽度外边缘向外延25 m，南侧由堆土宽度外边缘向外延40 m。选取其中一个承台进行计算，为简化计算，将桥面箱梁自重、桥面活荷载、车辆、车道荷载以及制动力简化为一个竖向力和一个水平力施加于桥墩之上。

图3 三维有限元分析模型

表2 模型中各部件计算参数

2.2 本构模型

土体本构模型采用小应变土体硬化高级本构模型（HSS 模型）。该模型包括3 个刚度参数：标准三轴排水试验割线刚度侧限压缩试验切线刚度、工程应变范围内卸载/重加载刚度；3 个强度参数：有效粘聚力c′ref、有效摩擦角φ′、剪胀角ψ；两个小应变参数：小应变参考剪切模量时的剪切应变γ0.7；刚度的应力相关幂系数m、静止侧压力系数K0、基准压Pref、泊松比ν′ur以及破坏比Rf。表3 为由地勘报告和经验关系确定的各代表性截面所涉及土层的HSS本构模型参数。

表3 不同土层HSS本构模型参数

3 计算结果分析

3.1 桥梁角桩变形及内力分析

在上述模型中，设置4个分析步，生成土体的初始应力场；激活桥墩、承台、群桩基础以及墩顶荷载；激活两侧堆土。根据Plaxis 三维有限元软件计算分析，可分别运算获得各荷载分析步的变形和内力结果。根据数值计算模拟结果可见，桩顶几乎保持水平，桩身整体发生变形，弯矩最大点与位移最大点几乎重合，均在软弱土层区域，最大值分别为382.7 kN·m 和3.3 mm，桩顶轴力与剪力最大，分别为725.0 kN和125.3 kN，淤泥质黏土层与较硬的粉土层交界处有反弯点，桩身入岩部分，轴力骤减。角桩变形以及内力图见图4，并将结果汇总于表4，表中x方向为沿高架桥方向，y方向为垂直高架桥方向。

表4 有限元计算结果统计

图4 角桩位移内力

3.2 堆土滑动稳定性分析

在上述塑性分析步的基础上进行强度折减分析，从而获得南北两侧堆土影响下的地基滑移场和对应的稳定性系数。滑动破坏面云图见图5，由图可知，堆土滑动面基本位于土堆坡角，未见切穿群桩基础及连通南北侧地基的深层滑动面。截面滑动稳定性系数为2.051，大于规范中一级永久边坡一般工况所要求的滑动稳定性系数1.35。

图5 土堆滑动破坏面云图

4 桥梁桩基验算

为验算堆土引起桩基在附加内力作用下的桩基竖向承载力、桩基正截面抗压承载力和桩基斜截面抗剪承载力，本节以第4 节有限元结果为基础，参考《公路桥涵设计通用规范（JTG D60—2018）》《公路桥涵地基与基础设计规范（JTG 3363—2019）》《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG 3362—2018）》《混凝土结构设计规范（GB 50010—2010）》，分析典型断面桥梁桩基的承载能力，并验算桩基最大裂缝宽度。

4.1 桥梁桩基承载力验算

由于线路附近堆土可能引起桩周土沉降大于桩基沉降，引起桩侧负摩阻力，故在进行桩基竖向承载力验算时，考虑了桩侧负摩阻力的影响。由于堆土在水平向对桩身产生附加作用，还应验算桩身正截面抗压承载力、斜截面抗剪承载力和裂缝宽度是否满足规范要求，正截面抗压承载力和裂缝验算选取在桩身弯矩最大处，斜截面抗剪承载力验算选取在桩身最大剪力处。

因为角桩为应力叠加区域，轴力、弯矩、剪力以及位移均比其他位置的桩大，所以选取角桩进行单桩竖向承载力验算，桩基参数见表5，侧阻计算见表6。桩基持力层为强风化砂砾岩，中性点深度比ln/l0为1，考虑负摩阻力后桩基竖向承载力下降11.7%。堆土对单桩承载力影响计算见表7。

表5 桩基参数

表6 桩侧阻标准值计算

表7 堆土对单桩承载力影响

4.2 桥梁桩身裂缝宽度验算

由有限元计算结果可得：轴力N、剪力V和弯矩M沿桩身分布，据此开展钢筋混凝土圆形抗压构件正截面抗压承载力和裂缝宽度验算。同样选取角桩进行验算，验算位置选在桩身弯矩最大处。抗压构件正截面抗压承载力和裂缝宽度验算依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG 3362—2018）》5.3.8、5.3.9 开展。桩身最大剪力V为129 kN；桩身最大弯矩M为517 kN·m。各工况组合内力见表8，正截面抗压承载力验算结果见表9，裂缝宽度验算结果见表10。