軟土地區(qū)公路路基沉降對(duì)臨近橋梁結(jié)構(gòu)受力影響

杜仕朝, 康春霞, 劉曉東, 鄔曉光

(1. 中路高科交通檢測(cè)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司, 北京 100088;2. 河北建筑工程學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 河北 張家口 0750004;3. 北京中交橋宇科技有限公司, 北京 100102;4. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710024)

進(jìn)入21世紀(jì)以來,我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了迅猛發(fā)展,高速公路的修建里程也取得了重要突破,并成為拉近各地區(qū)距離、促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要紐帶.我國(guó)幅員遼闊、地質(zhì)地貌復(fù)雜,因此高速公路不可避免地穿越軟土地區(qū),并受到軟土特性的影響.軟土主要是由淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等組成,一般具有含水量大、滲透性低和塑性指數(shù)大等特性,軟土地基在施工及后期運(yùn)營(yíng)過程中易發(fā)生沉陷、開裂等病害,一方面會(huì)嚴(yán)重影響道路的使用壽命和行車舒適性,另一方面會(huì)對(duì)其臨近的橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)物受力產(chǎn)生不利影響[1-5].因此加強(qiáng)軟土地區(qū)公路路基沉降對(duì)臨近橋梁結(jié)構(gòu)受力影響研究成為當(dāng)前工程界急需解決的問題.

目前國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)軟土地區(qū)公路路基沉降對(duì)臨近橋梁結(jié)構(gòu)受力影響進(jìn)行了較為深入的研究.Chai[6]等基于灰色系統(tǒng)模型對(duì)軟土地區(qū)路基沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,為路基施工工序、施工精度和相鄰橋梁橋墩受力等提供指導(dǎo),確保后期路基變形穩(wěn)定;陳洪濤等運(yùn)用有限元軟件 PLAXIS 建立軟土路基截面平面數(shù)值模型,分析了軟土路基填方高度、排水樁間距、真空壓力及填筑速率對(duì)路基豎向沉降的影響,并提出真空壓力選取 80 kPa 路基最為穩(wěn)定的結(jié)論[7];姜獻(xiàn)東等等通過調(diào)整巖溶軟土區(qū)高速公路復(fù)合地基參數(shù)對(duì)路基沉降敏感性進(jìn)行分析,并提出了適當(dāng)增大 CFG樁徑可明顯減少?gòu)?fù)合地基沉降等結(jié)論[8].然而上述研究成果多集中于軟土地區(qū)公路路基自身沉降的機(jī)理和影響因素,而軟土地區(qū)公路路基沉降對(duì)臨近橋梁結(jié)構(gòu)受力影響的研究相對(duì)較少.因此,本文以云南省某特大橋及其輔路為工程依托,基于真三維巖土工程有限元軟件ZSOIL.PC v2016對(duì)軟土地基沉降后場(chǎng)地整體位移、臨近橋梁樁基彎矩和樁基負(fù)摩阻力、橋墩內(nèi)力和位移進(jìn)行研究,為后期維修加固設(shè)計(jì)提供依據(jù),并為軟土地區(qū)同類型橋梁處理提供參考.

1 工程依托

云南省某特大橋位于高峣至海口高速公路第1合同段,橋梁上部結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)支工形組合梁,梁高為1.4 m,單幅橫向布置6片,預(yù)制主梁;橋梁下部結(jié)構(gòu)橋墩為雙柱式墩,柱間距為7.0 m;基礎(chǔ)采用雙排灌注樁基礎(chǔ),工字形承臺(tái);支座在分聯(lián)橋墩處采用圓形四氟滑板支座,其余位置均采用圓形板式橡膠支座.高峣至?？诟咚俟窐短?hào)輔K1+669.23至輔K1+939.22為輔道部分,與該特大橋并行,見圖1和圖2所示.

圖1 特大橋及輔道實(shí)拍Fig.1 The photo of bridge and auxiliary road

圖2 橋梁與輔路相對(duì)位置Fig.2 Relative position of bridge and auxiliary road

該特大橋地處滇池西岸,橋梁左側(cè)200 m外為昆明西山,橋梁右側(cè)為滇池湖盆邊緣,地勢(shì)開闊平坦.橋位處地層主要為第4系湖積層地質(zhì)單元,分布大量黏性土、淤泥質(zhì)土.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及地質(zhì)勘察,該特大橋輔路路基下存在較厚的軟土層,同時(shí)設(shè)計(jì)和施工沒有做充分軟基處理,造成在路基回填及車輛荷載等附加荷載作用下,路面產(chǎn)生較大的沉降.同時(shí)由于不同路段的加載效率不一致以及地質(zhì)情況略有差別引起輔路路基沉降不均勻,進(jìn)一步引起該橋承臺(tái)開裂、橋墩開裂以及上部梁體偏移等病害.本文基于瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院開發(fā)的真三維巖土工程有限元軟件ZSOIL.PC v2016對(duì)軟土地區(qū)公路路基沉降對(duì)臨近橋梁結(jié)構(gòu)受力機(jī)理進(jìn)行分析,為該特大橋后期維修加固提供技術(shù)依托.

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 有限元分析軟件

本數(shù)值分析采用瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院開發(fā)的真三維巖土工程有限元軟件ZSOIL.PC v2016.該軟件在設(shè)計(jì)、咨詢、研究領(lǐng)域取得了巨大的成功,涵蓋了現(xiàn)實(shí)世界中可能遇見的所有的巖土工程問題,提供了解決土力學(xué)和巖石力學(xué)、地下結(jié)構(gòu)、基坑開挖、土-結(jié)構(gòu)相互作用、地下水和溫度分析的統(tǒng)一方法[9-10].橋梁結(jié)構(gòu)與路堤關(guān)系見圖3所示.

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)與路堤關(guān)系Fig.3 The relationship between bridge structure and embankment

2.2 模型參數(shù)選取

土體固結(jié)是一個(gè)復(fù)雜的巖土力學(xué)變化過程,因此,模擬土體固結(jié)過程需要選擇能夠正確反映土體真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)的本構(gòu)模型.本研究采用Mohr-Coulomb模型,土體單元采用六面體單元[11].

橋面、工字型組合梁、蓋梁采用ZSOIL中內(nèi)置的Continuum for structures單元進(jìn)行模擬;橋墩采用ZSOIL中內(nèi)置的Beam單元模擬,Beam單元可根據(jù)實(shí)際工程設(shè)置截面參數(shù),包括截面形狀、截面尺寸、結(jié)構(gòu)參數(shù)等;承臺(tái)采用ZSOIL內(nèi)置的Shell結(jié)構(gòu)單元模擬;樁基采用ZSOIL中內(nèi)置的Pile模擬.

地層空間分布模擬采用ZSOIL的三維地質(zhì)鉆孔空間插值技術(shù)進(jìn)行非線性(指數(shù)型、高斯曲線型)模擬,通過輸入地層的厚度等自動(dòng)運(yùn)算生成[12].

在橋面及路面施加均布豎向均布載荷以模擬交通載荷的作用,參考相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察,取載荷值大小為13 kPa,載荷開始作用時(shí)間設(shè)置為路堤施工結(jié)束后30 d.

相關(guān)模型參數(shù)見表1所示.

表1 結(jié)構(gòu)單元主要參數(shù)Table 1 Main parameters of structural unit

2.3 施工工況模擬

施工工況分為初始地應(yīng)力生成階段、灌注樁施工階段、橋梁承臺(tái)施工階段、橋墩和蓋梁施工階段、工字梁施工階段、橋面施工階段、路堤的堆載階段以及交通載荷施加階段,分別見圖4～圖11.其中交通載荷施加取單獨(dú)輔道加載、單獨(dú)橋梁加載、輔道和橋梁共同加載最不利工況.

圖4 初始地應(yīng)力生成Fig.4 Initial geostress generation

圖5 灌注樁施工Fig.5 Cast in place pile construction

圖6 橋梁承臺(tái)施工Fig.6 Construction of bridge bearing platform

圖7 橋墩和蓋梁施工Fig.7 Construction of pier and bent cap

圖8 工字梁施工Fig.8 Construction of I beam

圖9 橋面施工Fig.9 Construction of deck

圖10 路堤的堆載Fig.10 Construction of surcharge of embankment

圖11 交通載荷施加Fig.11 Traffic load application

3 分析結(jié)果

3.1 模型整體位移場(chǎng)

承臺(tái)中心處豎向位移整體剖面云圖和局部位移場(chǎng)剖面云圖分別見圖12和圖13所示.

圖12 模型剖面豎向位移云圖(單位:m)Fig.12 Cloud chart of vertical displacement of model section (unit: m)

圖13 模型局部豎向位移場(chǎng)(單位:m)Fig.13 Local vertical displacement field of model (unit: m)

從圖12和圖13中可以看出,路堤最大豎向位移約為90.3 cm,在現(xiàn)場(chǎng)路面沉降實(shí)測(cè)值范圍內(nèi);產(chǎn)生豎向沉降的區(qū)域大約在以路堤為中心的15 m范圍內(nèi),在此范圍以外的區(qū)域未發(fā)生沉降,部分區(qū)域地面隆起;受樁基的約束作用,滇池側(cè)豎向沉降的影響深度(大約為35 m)較輔路側(cè)(大約為20 m)更深,但輔路側(cè)豎向沉降在水平向的影響范圍較滇池側(cè)范圍更大.

3.2 橋梁結(jié)構(gòu)位移

橋梁結(jié)構(gòu)豎向位移(為方便觀察,將位移放大)見圖14所示.由圖14可以看出:由于輔道沉降,橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了偏向滇池側(cè)的水平位移,位移的范圍大約在1/2樁長(zhǎng)深度以上;右幅橋較左幅橋水平向位移更大;右幅橋的豎向沉降較左幅橋更大,最大沉降約為2.258 cm左右,與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)得到的最大沉降值2.6 cm接近.為獲取橋梁的不均勻沉降數(shù)據(jù),取左幅橋與右幅橋承臺(tái)與橋墩接觸處豎向沉降數(shù)據(jù),結(jié)果得到左幅橋不均勻沉降值為0.002 m,右幅橋不均勻沉降值為0.013 m,表明左幅橋與右幅橋均發(fā)生了不均勻沉降,右幅橋的不均勻沉降較左幅橋更大,不均勻沉降的模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)接近.

圖14 橋梁結(jié)構(gòu)豎向位移Fig.14 Vertical displacement of bridge structure

3.3 樁基彎矩

圖15 樁基彎矩 (取一個(gè)承臺(tái))Fig.15 Bending moment of pile foundation

3.4 樁基負(fù)摩阻力

影響樁側(cè)負(fù)摩阻力的因素很多,如樁-土相對(duì)位移、基樁的支承條件、土的類別、時(shí)間效應(yīng)、樁周土體沉降發(fā)展過程以及樁的施工工藝等.對(duì)于樁基負(fù)摩阻力,一般僅能進(jìn)行定性的評(píng)估,而難以進(jìn)行定量的計(jì)算.ZSOIL軟件無法直接導(dǎo)出樁基負(fù)摩阻力的數(shù)據(jù),但可以通過將樁基等分,對(duì)每段樁基進(jìn)行受力分析,得到每段樁的負(fù)摩阻力值大小及方向.通過計(jì)算得到2號(hào)樁和4號(hào)樁的負(fù)摩阻力值,結(jié)果見表2,表中“—”表示不存在負(fù)摩阻力.

表2 2號(hào)和4號(hào)樁負(fù)摩阻力值Table 2 Negative skin friction values of No.2 and No.4 piles

從表2中可以看出,2號(hào)樁的負(fù)摩阻力影響深度達(dá)到了46.452 m,4號(hào)樁的負(fù)摩阻力影響深度達(dá)到了28.756 m,盡管2號(hào)樁的負(fù)摩阻力影響深度較大,但作用在2號(hào)樁上的負(fù)摩阻力大小普遍較作用在4號(hào)樁上的負(fù)摩阻力小.

3.5 橋墩彎矩

右幅墩頂不添加固定約束和添加固定約束時(shí)橋墩的彎矩如圖16所示.

(a) 右幅墩頂不添加固定約束(b) 右幅墩頂添加固定約束

由圖16(a)中可以看出,單純由于不均勻沉降引起的橋墩彎矩很小,可以判斷不均勻沉降不是導(dǎo)致橋墩環(huán)向裂縫的主要原因.由圖16(b)中可以看出,右幅橋滇池側(cè)出現(xiàn)了很大的彎矩,因此右幅橋橋墩出現(xiàn)環(huán)向裂縫的主要原因是由于橋墩的頂部和底部有固定約束作用,而橋墩中部由于不均勻沉降產(chǎn)生水平力作用而出現(xiàn)彎矩,導(dǎo)致在橋墩滇池測(cè)出現(xiàn)環(huán)向裂縫.

3.6 沉降變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

由于軟土地區(qū)公路路基不采取任何加固措施時(shí)軟土路堤沉降處于不穩(wěn)定狀態(tài),3年后其沉降速率雖會(huì)減慢,但其沉降值會(huì)逐漸增加,3年后(2023年)樁基彎矩預(yù)測(cè)值及模型剖面豎向位移預(yù)測(cè)值分別見圖17和圖18所示.整理得到的路堤工后沉降與時(shí)間關(guān)系圖如圖19所示.

圖17 2023年樁基彎矩預(yù)測(cè)值(取一個(gè)承臺(tái))Fig.17 Predicted bending moment of pile foundation in 2023

圖18 2023年模型剖面豎向位移預(yù)測(cè)Fig.18 Predicted vertical displacement of model section in 2023

圖19 路堤工后沉降與時(shí)間關(guān)系Fig.19 Relationship between post construction settlement and time of embankment

由圖17可以看出,樁基的最大彎矩為759 kN·m,較2016年的552.3 kN·m(見圖15)數(shù)值增加了37.4%,表明樁基在未來的幾年內(nèi)受力會(huì)進(jìn)一步增大.由圖18中可以看出,路堤中心最大工后沉降值為1.208 m.由圖19中可以看出,從2016年到2023年,路堤的工后沉降值增加約0.297 m,平均每年增加0.042 m左右,路堤沉降速率有減小的趨勢(shì),但沉降值仍然在每年增大,因此急需采取必要的加固措施抑制沉降的進(jìn)一步發(fā)展.

4 結(jié) 論

本文以云南省某特大橋及其輔路為工程依托,基于真三維巖土工程有限元軟件ZSOIL.PC v2016對(duì)軟土地基沉降后橋梁樁基、橋墩內(nèi)力和位移進(jìn)行研究,預(yù)測(cè)了2023年結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移值,為后期維修加固設(shè)計(jì)提供依據(jù),并為軟土地區(qū)同類型橋梁處理提供參考.

通過研究得出如下結(jié)論.

1) 軟土地區(qū)路堤產(chǎn)生豎向不均勻沉降的區(qū)域大約在以路堤為中心的15 m范圍內(nèi),滇池側(cè)豎向沉降的影響深度較輔道側(cè)更大;路堤下地基土產(chǎn)生了豎向沉降及水平向擠出,輔道側(cè)產(chǎn)生水平位移的區(qū)域比滇池側(cè)更大.

2) 滇池側(cè)橋墩樁基不存在負(fù)摩阻力效應(yīng),輔道側(cè)樁基在一定深度范圍內(nèi)存在負(fù)摩阻力效應(yīng),且靠近輔道的樁基負(fù)摩阻力值更大.

3) 軟土路基沉降時(shí)臨近橋墩發(fā)生不均勻沉降,由于橋墩頂部和底部嵌固作用將在墩頂截面產(chǎn)生較大彎矩并產(chǎn)生環(huán)向裂縫.

4) 軟土地區(qū)公路路基不采取任何加固措施時(shí)路堤沉降將處于不穩(wěn)定狀態(tài),3年后其沉降速率雖會(huì)減慢但其沉降值會(huì)逐漸增加,且相鄰結(jié)構(gòu)受力會(huì)進(jìn)一步增大.