深软基地区大面积堆载对临近桥梁桩基的影响分析及加固措施

陆坤杰，罗小聪，孟庆坤

（1、佛山市南海区公路管理站 广东佛山 528200；2、广东和立土木工程有限公司 广州 511400；3、广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司 广州 511400；4、华南理工大学 广州 510641）

关键字：既有桥梁；深厚软基；数值模拟；桩基变形；桩基加固

0 引言

随着城市管理水平的提高和城市土地资源的日趋紧张，公路桥梁桥下空间被越来越多的的利用起来，利用桥下空间不可避免的会对既有桥下地基进行一定的处理，从而导致既有桥梁结构产生变形。桥下空间堆载施工是处理地基最常用的施工方式之一，堆载土体与桥梁结构的净距、现场土质条件及施工工法等诸多因素的影响，而使既有桥梁结构产生较大的差异响应。特别是桥下存在深厚淤泥的土层，对既有桥梁结构十分不利［1］。国内外学术及工程界针对桥下存在深厚淤泥层堆载施工有了广泛的认识［2-6］，但目前对桥下深厚淤泥层堆载施工对既有桩基的影响研究较少，缺少工程借鉴案例。因此研究桥下存在深厚淤泥层时，堆载施工对既有桥梁结构的影响十分必要。

国内外学者也对软基地质下桥下空间堆载施工进行的相关研究，陈欢［7］以福建沿海某堆载工程为工程背景，分析其对临近既有高速铁路桥梁桩基影响规律及影响因素，并提出适用于软土地基高铁桥梁桩基变形控制方案；王军［8］依托郑徐（郑州-徐州）高速铁路一特大桥桥梁桩基侧向堆载工程，通过建立桩土相互作用有限元模型，研究了桩周土竖向沉降的空间分布规律，以及中性面的空间分布。并综合分析了现场试验数据、理论计算数据和数值模拟数据；聂磊［9］采用数值方法研究了不同堆载分布宽度和高度对邻近桩基的水平位移、应力以及弯矩的影响，为分析桥梁桩基稳定提供参考；张坤［10］以“深圳海滨大道后实施对邻近桥梁桩基础的影响”为工程背景，研究和分析被动桩受力和变形性态。

但目前国内外针对深厚软基下桥下空间堆载施工的相关研究有一定的局限性，实际工程中深厚软基地质引起既有结构变形因素复杂，相关参考文献较少，故本文以佛山市某桥下空间堆载施工为工程背景，采用MIDAS/GTS 有限元软件，研究分析堆载施工对既有桥梁结构的影响，探讨不同施工顺序对既有桥梁结构的影响，为今后类似工程提供指导。

1 工程概况

某桥下空间工程建设内容包括新建停车场及美食街广场等，需对桥下空间进行堆载施工处理。堆载后桥下边坡分为两级平台，上平台宽度为24～27 m，下平台宽度为13～21 m，下平台现水位高差为1.7 m，上下平台高差为8～10 m，坡率范围在1∶2～1∶3.5，桥梁设计水位线高程为15.8 m，上平台高程为15.35 m，场地现状表层填土堆载为杂填土，较松散，约含20%碎石，堆载土体厚度为2～6 m，桥下存在厚约20 m 的淤泥。桥墩直径1.7 m、49#和50#桩基直径2.2 m，桩基长度分别为38.5 m和51.7 m，51#桩基直径为2 m，桩基长度为49.5 m，均为嵌岩桩，承台长宽高分别为8.7 m、3.0 m、2.5 m，如图1所示。

图1 堆载前后土体标高与既有桥梁结构位置关系Fig.1 Relationship between Soil Elevation and Existing Bridge Structure before and after Stacking

2 数值计算模型构建

2.1 模型建立及边界条件

本文采用Midas/GTS 岩土有限元分析软件建立模型，计算模型中采用位移边界条件，其中底部为固定边界，限制模型的水平和竖直方向的移动；模型两侧限制水平方向的位移，地表变为自由边界［11］，约束桩基的旋转自由度及桩基底部的位移，固定49#和50#桥墩顶位移，50#桥墩顶采用滑动约束。结合该工程项目的实际情况，并考虑边界效应对结构的影响，拟取模型几何尺寸取长、宽、高分别为150 m、100 m、95 m。整体有限元模型和桩基、桥梁及桥墩有限元模型如图2所示。

图2 总体计算模型（局部透视效果）Fig.2 Overall Calculation Model（Local Perspective Effect）

2.2 计算参数选取

本次分析的土层结构选取包含①填土、①杂填土、②淤泥质土、③粉质黏土、④粗砂、⑤强风化花岗岩、⑥中风化花岗岩、⑦微风化花岗岩，由于《工程地质勘察报告》物理学指标统计不全，部分数据参考《工程地质手册》和其他相关资料，土层参数如表1所示。

表1 土层参数Tab.1 Soil Layer Parameters

2.3 堆载施工分析工况模拟

本次分析主线桥的工况包含16 个施工步，如表2所示。计算过程中的主要荷载包括自重及土体自重。本次模拟共设置两种工况分别为工况1：垂直于桥方向堆载；工况2：顺（沿）桥方向堆载，分析工况示意图如图3所示。

表2 模拟设计工况Tab.2 Simulate Design Scenarios

图3 分析工况示意图Fig.3 Schematic Diagram of Analysis Conditions

本次加固措施有两种方式：①改变桩基周围加固范围，加固范围分别为2 m、4 m 和8 m，如图4⒜所示；②改变加固深度，加固深度分别为10 m、20 m、30 m、40 m、50 m及60 m，如图4⒝所示。

图4 桩基加固区域及加固深度示意图Fig.4 Schematic Diagram of the Pile Foundation Reinforcement Area and Reinforcement Depth

2.4 计算假设

⑴假定各层土体均为各向同性；

⑵土体的初始应力场只计算自重应力，不考虑温度和构造应力的影响；

⑶假定桥梁结构为线弹性材料；

⑷假设深厚淤泥及填筑土层为正常固结土，不考虑土的欠固结或超固结应力历史状态；

⑸堆载施工仅考虑理想状态下施工工况，不考虑地震、遭遇不明夹杂地层、富水层等情况；

⑹假设深厚淤泥及填筑土层为正常固结土，不考虑土的欠固结或超固结应力历史状态；

⑺假设地下水位变化幅度小，不考虑水位变化对土的应力及变形的影响；

⑻假设桥梁桩基在桥梁自重作用下，桥桩竖向的沉降已达到稳定值。

3 监测数据分析

填土边坡堆载施工期间，土体会发生横向变形，该变形会向边坡临空面方向传递，进而传递到附近的桥梁桩基，桩基两侧存在压力差，进而导致桩基发生水平侧向位移。施工单位在堆载施工过程中，50#桥墩顶发生较大偏移，经监测单位检测：50#桥墩顶发生沿顺河方向155 mm 的偏移，偏移最终稳定在165 mm 左右，监测数据如图5 所示，已对既有桥梁产生病害，需对产生病害的桥梁结构进行治理，若不采取一定的处治措施，在极其复杂的环境情况下，可能使土体发生滑移，致使既有桥梁桩基处土体发生一定变形，引起周围桥梁结构产生相应位移或变形。后期浅层填土的侧向力极可能引起桥梁结构产生其他偏移，故在不破坏桥梁结构的基础上需对桥下地基进行处治。

图5 50#墩支座位移监测数据Fig.5 50# Pier Seat Shift Monitoring Data

4 计算结果与分析

为了探究不同堆载施工工序下对既有桥梁结构的影响规律，本文选取了厚淤泥层地质条件下桥下空间堆载施工项目为研究对象。由于该项目是桥下空间下堆载施工，势必会对既有桥梁结构产生一定的影响，且桥下淤泥层厚度达20余米，填土堆载较厚，侧向挤出和填土荷载会对既有桥梁结构的承载力能力极限状态和正常使用极限状态极为不利［12］，因此为了评价堆载施工对既有桥梁结构的的影响，本文分析了不同堆载施工工序对既有桥梁结构的影响。

4.1 不同堆载施工工序影响分析

堆载施工过程中，桥梁桩基处土体发生一定变形，引起周围桥梁结构产生相应位移或变形。桥梁结构由于与施工工序、堆载土体厚度、堆载土体净距及现场土质条件等诸多因素的影响，不同的模拟条件下计算结果将产生较大的差异，本小节着重分析施工工序对既有桥梁结构的影响。

为分析不同施工工序对既有桥梁结构的影响，基于MIDAS/GTS提取的数据进行处理，拟分析不同工况下填土堆载至桥下方与完成堆载施工对既有桥梁结构的影响，并分析填土堆载过程对既有桥梁结构的影响，数据处理结果如图6～图7所示。

图6 既有桥梁结构随施工步变化的位移规律Fig.6 Displacement Law of Existing Bridge Structure with Construction Steps

图7 不同施工步桥梁结构的位移变化Fig.7 Displacement Change of Bridge Structure under Different Construction Steps

由图6～图7 及表3 可知：随着堆载施工的进行，49#和50#桥墩的最大偏移位移逐渐增大，且50#桥墩的偏移量最大，为167.16 mm，发生在桥墩顶位置处，且其位移出现倾斜的趋势；49#和50#桥墩偏移量较小，分别为61.45 mm 和24.23 mm，均发生在约桩基1/3 位置处，且其桥梁结构的位移呈“弓”型。这是由于49#和50#桥墩为固结墩，墩顶被约束，填土堆载压力作用到桥梁结构上，使桩基发生偏移，50#桥墩为支座墩，墩顶被部分约束，填土堆载压力作用到桥梁结构时，墩顶位移可以得到释放，最大位移产生在墩顶位置处。

表3 不同施工步既有桥梁结构及承台的位移值Tab.3 Displacement Values of Existing Bridge Structures and Piles for Different Construction Steps

顺桥方向堆载施工比垂直于桥方向堆载施工对既有桥梁结构的偏移影响大，其中两种工况堆载完成施工时，49#桥梁结构最大值分别为58.86 mm 和61.45 mm，50#桥梁结构最大值分别为150.41 mm 和167.16 mm，51#桥梁结构最大值分别为20.45 mm 和24.23 mm；堆载完成施工时，工况1 相比于工况2，49#、50#和51#桥梁结构位移能够有效减小4.22%、10.02%和15.60%，可见垂直于桥方向堆载相比于顺桥向堆载施工能减小既有桥梁结构的位移。

4.2 不同加固措施下堆载施工对既有结构的影响分析

为分析不同加固措施下堆载施工既有桥梁结构的影响，基于MIDAS/GTS 提取的数据进行处理，拟分析不同加固措施工况下填土堆载至桥下方与完成堆载施工对既有桥梁结构的影响，并分析加固措施对既有桥梁结构的影响，数据处理结果如图8～图9所示。

图8 不同区域加固下堆载施工对既有结构的位移云图Fig.8 Displacement Cloud of Existing Structure under Stacking Construction under Reinforcement in Different Areas

图9 不同加固深度下堆载施工对既有结构的位移云图Fig.9 Displacement Cloud Diagram of Existing Structure under Stacking Construction at Different Reinforcement Depths

由图8～图9 及表4 可知：随着不通加固范围或深度的增加，堆载施工时既有桥梁结构的位移逐渐减小，未加固时，既有桥梁结构的最大位移为167 mm，随着加固深度的增加，既有桥梁结构的最大位移依次为62.0 mm、54.7 mm、46.9 mm、41.3 mm、35.5 mm 和31.3 mm，相比于未加固依次减少了62.88%、67.22%、71.89%、75.29%、78.76%和81.28%；随着区域加固范围的增加，既有桥梁结构的最大位移依次为44.5 mm、15.1 mm 及12.7 mm，相比于未加固依次减少了73.37%、90.97%、92.41%。通过不同加固措施对比，区域加固相比于加固深度更具有保护效应，故在进行桥下空间堆载时，应考虑对既有桥梁桩基进行加固处理，尤其是支座墩桥梁，防止桥梁结构产生不利影响，影响后期桥梁的正常运营。

表4 不同施工步既有桥梁结构及承台的位移值Tab.4 Displacement Values of Existing Bridge Structures and Piles for Different Construction Steps

5 结论

⑴随着堆载施工的进行，既有桥梁结构的位移逐渐增大，既有49#和51#桥梁结构的位移呈“弓”型，且在桩基1/3 处产生最大值，既有50#桥梁结构的位移出现倾斜的趋势，且在桥墩顶处产生最大值。

⑵堆载完成施工时，工况1 相比于工况2，49#、50#和51#桥梁结构位移能够有效减小4.22%、10.02%和15.60%，可见垂直于桥方向堆载相比于顺桥向堆载施工能减小既有桥梁结构的位移。

⑶随着加固区域或深度的增加，既有桥梁结构的位移逐渐减小，桩基周围深度加固相比于未加固依次减少了62.88%、67.22%、71.89%、75.29%、78.76%和81.28%；桩基周围区域加固相比于未加固依次减少了73.37%、90.97%、92.41%。

⑷工程地质勘察中，如发现有深厚淤泥层，需对地基进行一定的加固处理，尤其是支座墩桥梁，再采取合理的堆载施工工序施工，防止桥梁结构产生不利影响，影响后期桥梁的正常运营。