路堤堆载对高速公路桥梁基础影响分析

2022-10-28章方彬黄一华

山西建筑 2022年21期

章方彬，黄一华，杨阳，黄俊

(1.瑞安市交通工程建设中心，浙江温州 325200； 2.中铁十局投资公司，浙江温州 325200)

0 引言

随着我国公路建设的持续发展，市域高速公路桥梁总里程不断增加。但由于多种施工条件和环境等因素限制，在高速桥梁周围常出现堆载大面积、大高度的冲填土、施工弃土等情况[1]。高速公路交通规划中也常遇见多条路线同时交叉施工等复杂工况。从力学角度来看，桥梁基础附近堆载会导致周围地下结构及其周围土体应力(包括水、土压力)重新分布，这涉及土力学中典型的强度与稳定问题，同时还涉及到土与周围结构的相互作用。从变形角度来讲，过多的堆载必将引起桩基周围土体发生变形(比如周围土体侧移、地表沉降等)，并通过土介质进一步传递，影响到周围房屋建筑群、纵横南北高架桥、地下轨道与市政管线等。

李志伟等[2]分析了不对称堆载及后期行车荷载对桩基内力和变形的影响；胡建荣[3]考虑堆载过程中将被动桩有限元计算方法推广到带排架排桩的计算；崔兵[4]开展交通荷载作用下的低路堤软土地基室内模型试验综合分析土体在单点激振的交通荷载下土体土压力和孔隙水压力变化规律。梁育玮[5]利用离心模型试验分析得出桥梁桩基的长度对侧方堆载的变形响应模式不同；李金亭[6]通过有限元计算发现堆载越靠近路堤对称轴，工后沉降越小，堆载预压效果越明显。李仁平等[7]提供了一种通用分析方法用于侧向受荷桩基的受力分析方法。

温州市典型的软土地基具有高地下水位、高含水率、高孔隙比、压缩模量小等特点[8]。当地高速桥梁基础多采用桩基础，但由于桩基础的抗侧移刚度差，桩基在软土地基中常出现倾斜等现象[9-13]。路堤堆载对上层高速公路桥梁基础的影响更大，因此本文主要通过数值模拟的方法分析在较不利路基堆载工况下，堆载高度及桩基承台约束对高速桥梁桩基的影响。

1 工程概况

依托工程为温州市绕城高速公路北线二期，工程特殊性岩土为软土，岩性为淤泥、淤泥质土，软土层具有含水量高，压缩性高，强度低，固结时间长等特点，作路基基础时易产生过量沉降、不均匀沉降、路堤失稳及桥头跳车现象，软土区桩基施工时，易发生桩基缩孔问题。

项目在北白象枢纽区、七里港互通区和黄花枢纽及连接线等有深厚软土层，平均淤泥厚度达40 m～50 m。采用的填方路堤均为软土地段(路基地勘参数见表1)，且为高速公路桥下空间，高架桥基础即位于本项目中央分隔带。根据施工图有两种路基断面，如图1(a)所示为单边放坡工况，图1(b)为双边放坡中出现的侧方堆载较不利工况，图1(c)为施工过程中分层堆载断面。本文选用一种考虑到最不利工况的施工过程进行分析。路基顶宽34.5 m，路堤堆载1.4 m，承台尺寸13.3 m×13.3 m×2.5 m，桩长为100 m(实际桩基桩长)，桩径1.6 m。

表1 路基地勘参数(均值)

2 有限元计算

2.1 计算模型

有限元分析采用商业有限元软件ABAQUS进行建模与求解，模型见图2。土体的本构模型采用摩尔-库仑模型，土体参数选取试验段土层的初始地勘参数如表1所示。桩承台平面尺寸为13.3 m×13.3 m，承台高2.5 m，承台模量与桩一致。填土高根据相应工况确定，填土密度为1.85 g/cm3，路堤工况参考图1(c)的工况(工况1)，工况1计算桩长100 m，路堤堆载为1.4 m，分级堆载，每级堆载0.4 m。路堤堆载荷载值为相应填土自重，并考虑路堤上20 kPa的行车荷载。其中工况1中分别考虑桩基有承台约束及无承台约束进行数值模拟计算。

模型的边界条件为：底部边界为固定边界，顶部边界为自由边界，前后边界为侧向约束，左右边界为正向约束。计算过程中桩顶间距保持5.3 m不变，承台高度和填土高度是变化的，不考虑填土的固结变形。分析过程中桩土之间采用了ABAQUS提供的简化的绑定约束来模拟桩土界面上的相互作用。分析采用八节点六面体线性非协调模式单元C3D8I。计算结果返回各工况中单桩的轴力、侧摩阻力、纵向弯矩、横向弯矩、纵向水平位移、横向水平位移以及沉降等数据。各个工况均选取3×3桩组的角部四根桩进行数据提取与绘图。计算工况中近桩、远桩位置如图3所示。

2.2 计算结果

2.2.1 桩身应力

如图4～图6所示为近角桩及远角桩随路堤堆载过程的侧摩阻力、轴力、纵向弯矩、横向弯矩随桩基深度变化曲线图。旁侧路基堆载会导致堆载位置土体产生沉降从而导致局部土体沉降大于桩身沉降而产生向下的负摩阻力，负摩阻力会成为桩的附加荷载降低桩身承载力对桩身的安全性产生影响[14]。图4a)显示了在堆载过程中远近角桩桩身摩阻力沿深度分布曲线，由图可知在埋深0 m～40 m左右桩基出现了负摩阻力且桩头位置由堆载产生的负摩阻力最大，约19 kPa近角桩摩阻力总体略大于远角桩摩阻力，负摩阻力随埋深呈减小趋势，在埋深约42 m处为中性点。

图5显示桩身轴力随路堤堆载高度提升而增大，且远近角桩在路堤堆载过程中轴力变化规律基本一致，每级堆载轴力最大值在桩基埋深约43.8 m处。在堆载荷载较低时近角桩轴力发展较快，远角桩在第1级加载过程中出现了桩身受拉的现象。总体近角桩承受轴力约为远角桩的2倍，在堆载荷载施加到1.4 m时，远角桩轴力快速增加至与近角桩一致水平，在最大处轴力大小约为3 247 kN。

图6分别为近远角桩的纵向、横向弯矩图。对比角桩横向、纵向弯矩可知，工况1路堤堆载对桩基的弯矩的影响主要产生在纵向弯矩方向，最大纵向弯矩出现在第4级堆载时远角桩，埋深2.0 m，约1 084.4 kN·m；最大横向弯矩出现在第3级堆载时近角桩埋深2.0 m，约312.4 kN·m。

2.2.2 桩基位移

图7为近远角桩身随分级堆载纵向、横向水平位移图，数据显示：桩身纵横向位移与桩身受力情况基本保持一致，桩身主要水平位移发生在纵向方向上，最大横向水平位移出现在第4级堆载时近角桩埋深23.9 m处，大小约为4.64 mm；桩顶最大纵向水平位移为近角桩第 3级堆载约16 mm；桩身全长最大纵向水平位移出现在第3级堆载时近角桩埋深20 m处，大小约为32 mm，横向水平位移满足变形控制条件，而纵向水平位移超出纵向水平控制条件，故在1.2 m高度临近路堤堆载过程中应对地基进行加固处理。

图8为桩基随路基堆载的沉降曲线图。根据图示发现桩基远近角桩纵向沉降较为均匀，堆载初期近角桩沉降量略大于远角桩且每级加载沉降量大致相等。路堤堆载完成后，高速桩基最大沉降出现在第4级堆载时远角桩顶，约为57.9 mm。承台水平位移控制为15 mm，承台中心沉降为57.3 mm，转角0.002°。若考虑最终工况使用100 a，承台沉降为41 mm～49 mm，最大轴力为2 300 kN～2 700 kN。

若考虑堆载2个月后进行桩基施工，承台最大沉降为25 mm～30 mm，承台水平位移为4 mm～6 mm，最大轴力为1 400 kN～1 700 kN，最大可能弯矩为437 kN·m ～521 kN·m。如考虑堆载最不利情况持续1个星期(路基断面2)，则最大水平位移为3 mm～6 mm，对应转角为0.02°。

2.2.3 桩基承台弱连接(无承台约束)

该工况对应为承台与桩之间采用弱连接。工况1按无承台，桩长为100 m，堆载1.4 m分级加载进行有限元计算。将每级加载下计算得到的近角桩、中心桩及远角桩的轴力、侧摩阻力、纵向弯矩、横向弯矩、纵向水平位移、横向水平位移以及沉降随深度变化的曲线及最大值与工况1进行分析对比见表2。

表2 各工况有限元计算及理论计算

最大轴力出现在加第4级堆载时的近角与远角桩处，埋深约43.8 m处，大小约3 083 kN；最大纵向弯矩出现在第3级堆载时近角桩，埋深10.0 m，约453.9 kN·m；最大横向弯矩出现在第4级堆载时近角桩埋深83.6 m，约194.4 kN·m；最大横向水平位移出现在第4级堆载时近角桩桩顶处，大小约为7.8 mm；最大纵向水平位移出现在第3级堆载时近角桩埋深14 m处，大小约为35.6 mm；最大沉降出现在第4级堆载时近角桩顶，约为56 mm。若考虑最终工况使用100 a，最大轴力为2 180 kN～2 600 kN。若考虑堆载2个月后进行桩基施工，最大轴力1 300 kN～1 600 kN，最大可能弯矩为195 kN·m～236 kN·m，水平位移为4 mm～6 mm，沉降为25 mm～30 mm。可见相对路堤堆载1.4 m有承台约束时，桩基弯矩大幅度减小，弯矩与内力也有较小幅度减小，水平位移及沉降略有增大。

3 桩基混凝土龄期影响

桩基混凝土浇筑后28 d强度达到100%，在强度形成过程中，地基沉降对混凝土灌注桩的影响需要估算。混凝土7 d强度达到80%～90%时可认为已经可以起到承载作用，因此计算时对桩基混凝土浇筑至后7 d时地基的沉降进行估算以估计该沉降对桩基的影响。

桩基施工时(t=60 d)土体固结度为0.191 2(或0.411 6)，桩基完工后(t=67 d)土体固结度为0.191 5(或0.411 8)，则7 d龄期内增加的固结度为0.000 3，可知桩基7 d龄期内，桩周土体固结产生的沉降工况1为0.02 mm(0.01 mm)，因此可以忽略桩基施工期间的固结沉降对桩基的影响。