堆載距離對(duì)周圍結(jié)構(gòu)物影響研究

李思江， 孟維正

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

軟土是在沿海、沿河地區(qū)的飽和軟黏性土，普遍具有天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、滲透性差、靈敏度高以及流變性顯著等特點(diǎn)[1-2]。經(jīng)TAVENASF[3],MALEKMSMADI[4]等人研究，在軟土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)如若遇到周邊出現(xiàn)堆載工程，建造的結(jié)構(gòu)物可能會(huì)出現(xiàn)較大的水平形變，當(dāng)變形過(guò)大時(shí)還會(huì)影響結(jié)構(gòu)物的正常使用。因此對(duì)于在軟土地基上修筑的橋梁及基礎(chǔ)工程，若在其周邊范圍內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模的堆載工程定會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的水平變形及沉降等問(wèn)題。大量工程實(shí)踐結(jié)果顯示，橋梁工程在堆載工程的作用下，堆載附近的軟土?xí)a(chǎn)生較大的形變，進(jìn)而致使臨近的橋梁樁基產(chǎn)生較大形變，影響橋梁的通行安全[5-6]。

本文主要研究堆載距離對(duì)橋梁樁基的影響，本文以福建某公路橋?yàn)楸尘?，分析堆載距離對(duì)1#樁柱及梁體的影響。

1 模型說(shuō)明

土層分布：1#樁處土層由上至下分布為：41m淤泥、4m卵石土、2m淤泥、4m卵石土、2m淤泥、2m卵石土、4m強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、13m中風(fēng)化凝灰?guī)r。堆載在橋梁左側(cè)，即1-0#樁柱側(cè)，土體模型三維展示如圖1所示。

本文主要分析堆載距離對(duì)梁體以及1#樁柱的影響。在所有參數(shù)不變的情況下，僅改變堆載坡腳與1-0#樁柱中心的距離。具體參數(shù)設(shè)置如下：

(1)土體單元選取為實(shí)體單元，參數(shù)按表1選取。

(2)墩樁設(shè)置為結(jié)構(gòu)單元，上部蓋梁設(shè)置為實(shí)體單元，參數(shù)選取參數(shù)見(jiàn)表2、表3。

(3)堆載高度根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)選為7m。

(4)堆載方式采用從左至右依次堆載的方式。

表1 土參數(shù)選取

表2 墩、樁參數(shù)選取

表3 上部結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

(5)堆載距離根據(jù)模型設(shè)置，依次計(jì)算堆載坡腳至1-0#樁柱中心為121m、105m、90m、76m、64m、53m、43m、37m、30m、17m、7m的結(jié)果，詳見(jiàn)堆載示意圖2。

圖2 堆載距離示意

2 填土距離對(duì)樁柱位移影響

由圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)：堆載工程雖對(duì)附近的橋梁樁基影響較大，但在堆載距離較遠(yuǎn)時(shí)對(duì)橋體樁基并不會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)堆載坡腳距離為121m時(shí)，橋梁樁基橫橋向位移基本與縱坐標(biāo)軸重合，位移為0。當(dāng)堆載距離1-0#樁柱中心105m時(shí)已有較大影響，當(dāng)堆載完成，距離為7m時(shí)，樁基側(cè)向位移達(dá)到38cm。由圖表可以看出樁柱在軟弱土層中的橫橋向位移較大，在硬土層中的橫橋向位移小，在堆載作用下1#樁柱的位移由墩頂向下先增大后隨深度增加而逐漸減小。

圖3 1-0#樁柱側(cè)向位移

圖4 1-1#樁柱側(cè)向位移

對(duì)比各堆載距離可以發(fā)現(xiàn)：

(1)當(dāng)堆載距離較遠(yuǎn)時(shí)，堆載對(duì)結(jié)構(gòu)物無(wú)影響，本模型為121m；

(2)樁柱在土體中的整體變形趨勢(shì)在各堆載距離時(shí)并未發(fā)生改變，均是在樁高程為-24～-16m附近位移較大，兩端位移較小，由于是嵌巖樁，樁底的側(cè)向位移為0；

(3)樁柱整體的側(cè)向位移則隨著堆載距離的減小而不斷增大，且距離越近，增加幅度越大，關(guān)系類似對(duì)數(shù)曲線。

對(duì)比1#左右樁柱1-0#與1-1#可以發(fā)現(xiàn)：

(1)左右樁受土壓力影響，側(cè)向位移趨勢(shì)相同，墩頂由于蓋梁約束位移相同；

(2)在相同堆載距離時(shí)由于靠近堆載的樁柱比遠(yuǎn)離堆載的樁柱受到主動(dòng)土壓力較大，因此1-0#樁柱的側(cè)向位移普遍大于遠(yuǎn)離堆載側(cè)的1-1#樁柱。

3 填土距離對(duì)樁柱彎矩影響

由圖5、圖6可以發(fā)現(xiàn)：堆載工程雖對(duì)附近的橋梁樁基彎矩整體影響較大，但在堆載距離較遠(yuǎn)時(shí)對(duì)橋體樁基并不會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)堆載坡腳距離為121m時(shí)，橋梁樁身彎矩較小且樁身彎矩變化規(guī)律不明顯。但當(dāng)堆載距離為76m時(shí)樁身彎矩迅速增大，最大彎矩達(dá)到3×106N·m；當(dāng)堆載距離為43m時(shí)，樁身彎矩相對(duì)堆載距離76m時(shí)增大約1倍；當(dāng)堆載完成，距離為7m時(shí)，1-0#樁身彎矩大小超過(guò)9×106N·m，墩頂彎矩最大1-0#墩頂彎矩超過(guò)1×107N·m。由圖可以看出樁在軟弱土層中在堆載的作用下受到主動(dòng)土壓力較大，導(dǎo)致正向彎矩增大，在下部土質(zhì)較好的土層中被動(dòng)土壓力較大，抵抗樁身變形，提供支撐反力。

圖5 1-0#樁柱橫橋向彎矩

圖6 1-1#樁柱橫橋向彎矩

對(duì)比各堆載距離下1#樁柱的彎矩圖可以發(fā)現(xiàn)：

(1)樁柱的彎矩大小隨堆載距離的減小而增大；

(2)樁柱的整體彎矩趨勢(shì)在各堆載距離時(shí)并未發(fā)生較大改變，僅樁身最大彎矩隨堆載距離的減小有所下移；

(3)在樁高程-40m以下時(shí)樁身彎矩成為波浪狀分布，并不是平滑的拋物線形。由于此處為卵石土層與淤泥土層相間分布區(qū)域，卵石土層較淤泥土層土質(zhì)好，能適當(dāng)?shù)挚箻扼w受到的外力影響，但淤泥土受堆載土影響較大。

4 填土距離對(duì)梁位移影響

以0#橋臺(tái)為縱橋向零點(diǎn)，各墩柱間、墩柱與橋臺(tái)間距均為30m，取梁中心點(diǎn)的側(cè)向位移數(shù)據(jù)，繪制圖7、圖8。

通過(guò)梁體的變形可以發(fā)現(xiàn)，堆載距離為121m時(shí)，梁體的側(cè)向位移基本為0，與縱坐標(biāo)軸重合，說(shuō)明在本工況下當(dāng)堆載距離結(jié)構(gòu)物121m以上時(shí)，對(duì)橋梁的上部結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有影響；當(dāng)堆載距離為76m時(shí)，此時(shí)梁體的側(cè)向位移相對(duì)較小，梁體最大側(cè)向位移為4cm，位于2#樁柱處，1#樁柱處與3#樁柱處側(cè)向位移均為3cm左右，4#樁柱處為2cm；當(dāng)堆載距離為43m時(shí)，梁體的側(cè)向位移迅速增大2#樁柱處位移增加到14cm，1#樁柱處位移增加到10cm，0#臺(tái)處側(cè)向位移為4.5cm，此時(shí)梁體已經(jīng)形成明顯的平面轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)；當(dāng)堆載完成，堆載距離7m時(shí)，結(jié)合3.4節(jié)中結(jié)果分析可以得到：1#、2#樁基受淤泥質(zhì)土主動(dòng)土壓力影響產(chǎn)生較大的形變，1#、2#墩柱及蓋梁也相應(yīng)向右側(cè)位移，通過(guò)支座帶動(dòng)梁體向右側(cè)位移。由于梁體剛度較大，梁體自身并未發(fā)生破壞及形變，僅在平面內(nèi)發(fā)生位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)梁體在4#墩處位移最大，且0#臺(tái)處樁基采用管樁群加固，橋臺(tái)位移較小，因此橋臺(tái)上梁體的位移也相對(duì)較小，0#臺(tái)處梁體位移最小。

4#樁柱位于兩聯(lián)梁的分界處，由圖7可以發(fā)現(xiàn)第一聯(lián)梁體的位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第二聯(lián)梁體的位移，因此在4#樁蓋梁處第一聯(lián)梁體通過(guò)支座使蓋梁向遠(yuǎn)離堆載土方向的方向移動(dòng)，但第二聯(lián)梁體整體側(cè)向位移較小，約束了4#蓋梁向右側(cè)(遠(yuǎn)離堆載土側(cè))移動(dòng)，從圖中表現(xiàn)形式為：梁體的側(cè)向變形并不是一條直線， 在4#樁柱處梁體的位移明顯有向左側(cè)反彎的趨勢(shì)，在堆載距離較遠(yuǎn)的情況下越明顯，如堆載距離為76m時(shí)，2#樁柱處梁體位移為4cm，但4#樁柱處梁體的位移只有2cm。

圖7 梁側(cè)向位移(兩聯(lián)梁)

5 結(jié)論

本文通過(guò)FLAC3D進(jìn)行數(shù)值建模，分析了不同堆載距離對(duì)樁柱變形的影響：

(1)不同堆載距離與樁基變形和內(nèi)力的變化表現(xiàn)出類似對(duì)數(shù)曲線的變化性質(zhì)，當(dāng)堆載距離較遠(yuǎn)時(shí)，隨距離的縮短，樁基變形和內(nèi)力逐漸增加，當(dāng)距離較近時(shí)，隨間距縮短，樁基變形和內(nèi)力迅速增加。當(dāng)堆載與橋梁距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，橋梁受堆載影響很小，在本工程中當(dāng)堆載距離為121m時(shí)，堆載對(duì)無(wú)影響，整體的側(cè)向位移基本為0，彎矩也無(wú)明顯增大。

圖8 梁側(cè)向位移(第一聯(lián)梁)

(2)粱位移隨堆載距離的縮短逐漸增大，直至梁體發(fā)生平面轉(zhuǎn)動(dòng)后位移急劇增大。