软土地区大面积堆载作用下邻近桥梁墩柱偏位分析研究

张 恒，廖鸿钧

（1、佛山市交通运输事务中心 广东佛山 528000；2、广东和立土木工程有限公司 广州 511400）

0 引言

深厚软土主要由淤泥、淤泥质土、淤泥质黏土等软弱土构成，软土层具有含水量高、压缩系数高、渗透系数小、承载能力低、抗剪强度弱及流动性大等特点［1］。我国东南沿海地区软土范围大，软土主要为海相沉积软土，厚度最大可达数十米，由于城市化的快速发展，在公路堤岸边、桥下空间进行填土造陆的现象越来越普遍，然而大面积堆载对邻近桥梁基础会产生两方面的影响：一方面新增堆载使软土层发生沉降，在桩侧形成负摩擦阻力，增加桩基竖向外荷载的同时降低桩基的竖向承载力，从而导致桩基下沉；另一方面在堆载作用下软土土层将发生水平位移，进而带动桩身变形，增大桩基附加内力的同时使墩柱发生偏位，对桥梁结构安全造成不利影响［2-6］。因此，在深厚软土桥区附近实施大面积填土前，需分析堆载与邻近桥墩位移之间影响关系，准确评估填土造地所带来的地基变形及对桥梁基础的影响。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

某特大桥于2013年建成通车，桥梁全长1 981 m，设计荷载为公路-Ⅰ级。桥梁引桥47#～62#墩位于填土影响区域，引桥上部结构采用30 m（25 m）先简支后结构连续小箱梁，半幅桥宽13.75 m，横向布置4 片小箱梁，箱梁预制梁高160（140）cm，预制梁宽度240 cm（中梁）、282.5 cm（边梁）。30 m 跨为3 孔或4 孔一联，25 m 跨为4 孔或5 孔一联，每联梁端设置伸缩缝。下部结构采用双柱式墩，各墩均设置系梁；墩身高度均在20～25 m 时，采用墩柱直径ϕ160 cm 配基桩直径ϕ180 cm；墩身高度在15～20 m 时，采用墩柱直径ϕ140 cm 配基桩直径ϕ160 cm；墩身高度在15 m 以下时，采用墩柱直径ϕ130 cm 配基桩直径ϕ150 cm。基础设计均采用钻孔灌注桩，按嵌岩桩进行设计，桩底嵌入中风化层深度不应小于2 倍桩径，嵌入微风化层深度不应小于1倍桩径，桩长40～53 m之间。

1.2 桥区附近填砂情况

根据原桥设计地质资料，47#～62#墩桩位地层分布基本相同，地层由上往下为素填土、淤泥、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、砾砂、全风化花岗岩、强风化花岗岩、微风化花岗岩。本桥桥位所处区域大范围分布深厚流塑状淤泥软土层，填土区域47#～63#墩所处位置淤泥层分布厚度约13～20 m。桥区附近原为池塘，于2020 年8月～2021年1月10日完成吹填砂施工，吹填区域航拍图如图1 所示。通过选取典型断面钻孔取芯来确定47#～59#墩堆砂厚度，填土厚度如图2所示。可以看出，填砂高度较原地面高4～8 m左右，中间高两侧低。

图1 吹填区域航拍Fig.1 Aerial Photograph of Reclamation Area

图2 桥下填砂厚度示意图Fig.2 Schematic Diagram of Sand Filling Thickness under the Bridge

2 墩柱偏位情况

结合现场检测数据和桥梁施工数据，桥下不平衡填土后，51#墩伸缩缝间距拉大至170 mm（远大于限值80 mm），邻近桥墩以51#墩为分界线，在纵桥方向发生明显偏位，其中小桩号侧桥墩向小桩号侧偏位3～5 cm，大桩号侧桥墩向大桩号方向偏位7～23 cm，墩柱偏位值详如表1所示。

表1 墩柱偏位汇总Tab.1 Summary of Pier Column Deviation

初步推断47#～63#墩偏位的整体作用机理为：47#～51#墩由于桥下不平衡堆载作用，向小桩号侧偏移；52#～59#墩由于58#～59#墩两侧填土高差较大，58#～59#墩在堆土偏载作用下带动小桩号梁体向大桩号偏移，梁体偏移及桥下不平衡堆土共同推动52#～58#墩跨往大桩号方向偏移。

3 数值模拟

3.1 模型概况

采用Midas GTS 软件建立精细化实体模型进行填土分析，土层分层情况及桥下填土高度按实际情况进行模拟，软土层分布厚度13～20 m，填土厚度约4～8 m，纵桥方向向中间区域填土较高，两侧较低，精细化实体模型如图3、图4所示。

图3 数值分析三维实体模型Fig.3 Numerical Analysis 3D Solid Model

图4 桥梁下部结构数值模型Fig.4 Numerical Model of Bridge Substructure

3.1.1 土层单元

各土层力学参数以地质勘察文件为基础，参照相关地质类规范及工程经验进行取值［7］，计算模型所采用的土层力学参数如表2所示。

表2 土层地质参数Tab.2 Geological Parameters of Soil Layer

本次模拟分析对淤泥、淤泥粉质黏土、粉质黏土等软土层采用修正的莫尔-库伦理论（Modified hr Coulomb theory），对于全风化岩、造地填土等采用应变硬化模型（HS）进行模拟［8-10］。

3.1.2 桩基模型参数

桩基础用梁单元模拟（Embeded Beam），桩（梁单元）与土（土层单元）之间的相互作用通过特殊界面单元来模拟，界面的行为用弹-塑性模型来描述。桩基模型的参数如表3所示。

表3 桩基模型参数Tab.3 Parameter of Pile Foundation Model

3.2 填土工况

填土过程按两种假定进行分析，即全区域分层均匀填土和不平衡填土。

3.2.1 均匀分层填土

桥区填土施工范围为46#～59#桥墩。根据既有填土施工记录显示，在桥身200 m 范围外吹填储备填筑材料，配置推土机4台均衡分层填筑，填筑方向垂直于纵桥向，每台推土机负责施工3 处桥孔，每层厚度约100 cm，每层施工时间2 d，预留自然沉降5 d。鉴于实际施工过程中分层填筑厚度和间隔时间与计划不可避免存在差异，故对均匀分层填土的填土厚度和间距时间做不同假定，假定工况可如表4所示。

表4 分层均匀填土工况Tab.4 Condition of Layered Uniform Filling

3.2.2 不平衡填土

⑴实际施工的堆、填、挖的时间及空间顺序已经无法追溯，故通过假定施工过程中存在不平衡堆载，以使桥墩理论偏位值接近现状实测值。

⑵为与墩柱位移实测值接近，假定填土过程中存在不平衡堆载，堆填过程均先对51#～53#墩桥跨、57#～59#墩之间桥进行填土，单层不平衡土高差为2 m，后对其他桥跨区域进行填土。

3.3 分析结果

3.3.1 均匀分层填土

不同分层厚度填土工况及不同填土间隔时间下的墩柱偏位结果如图5所示。

图5 墩柱偏位对比Fig.5 Comparison of Pier Column Deviation

由图5可知：

⑴均匀分层填土状态下，分层厚度和填土间隔时间与墩柱偏位值大小呈正相关关系，但对墩柱偏位值影响不明显。

⑵均匀分层填土状态下，理论值与实测值的位移趋势基本一致，但理论偏位值较实测值偏小，其中：51#墩小桩号侧墩柱往小桩号方向发生2.2～3.7 cm 的偏位，与实测值较为接近；51#墩大桩号侧墩柱偏位主要发生在55#～59#墩，偏位量为2.4～7.7 cm，较实测值偏小。

故可推断，均匀分层填土下，由于新增填土厚度不均匀（纵桥向中间高两侧低），不平衡荷载导致墩柱以51#墩为界限，分别向两侧发生墩柱偏位，从而使51#墩顶伸缩缝拉开。施工过程中如存在局部堆载将加剧墩柱偏位的发展。

3.3.2 不平衡填土

假定不平衡填土工况下墩柱偏位值与实测值对比结果如图6和表5所示。

图6 某不平衡填土工况下墩柱偏位对比Fig.6 Comparison of Pier Column Deflection under Unbalanced Filling Conditio

表5 某不平衡填土工况下墩柱偏位对比Tab.5 Comparison of Pier Column Deflection under Unbalanced Filling Condition

由图6 和表5 可知，在某假定不平衡填土工况下，墩柱理论偏位与实测偏位趋势一致，以51#墩为分界线分别向两侧发生偏位，且各墩柱偏位值较为接近。59#墩理论值与实测值差别较大的主要原因为：GTS对混凝土材料按弹性材料模拟，而桩基实际已进入塑性阶段并产生较大塑性变形，故按照GTS 模拟计算所得理论值偏小。

4 结语

⑴分层均匀填土情况下，墩柱偏位大小及方向主要与最终填土高差有关，填土过程中的分层厚度、分层填土时间间隔与墩柱偏位大小呈正相关关系，但影响不明显。

⑵通过假定填土过程中存在不平衡填土情况，可使墩柱偏位理论值与实测值基本一致，表明墩柱偏位的大小及方向与实际填土过程中的堆、填、挖等顺序密切相关，可确定桥下填土是本次桥墩偏位的主要原因。

⑶由于极难追溯填土施工的真实过程，且土体地质特性等模拟参数均具有较大的离散型和不确定性，理论计算结果与实测值存在一定差异。