賀志勇 張浩然 楊程 楊永紅
(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院,廣東 廣州 510640)
“十三五”規(guī)劃以來,國家持續(xù)實(shí)施公路安全生命防護(hù)和危橋改造工程,橋梁結(jié)構(gòu)安全水平不斷提升,但因我國公路基礎(chǔ)設(shè)施歷史欠賬較多,安全形勢仍不容樂觀,其中大量位于軟土地區(qū)的橋梁,橋側(cè)時(shí)常出現(xiàn)大面積堆土情形,如臨時(shí)堆放挖填方土、棄土、工程建材和工后廢料等,存在嚴(yán)重的安全隱患。近年來因大面積堆土致使土體喪失穩(wěn)定的破壞事故頻發(fā),經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡和社會(huì)負(fù)面影響較大。如2016年3月25日杭州繞城西線五常收費(fèi)站附近橋梁因周邊工地施工堆土處置不當(dāng),致使橋墩傾斜、梁板滑落,橋梁突然發(fā)生斷裂,導(dǎo)致通行中斷,車輛擁堵;2015年12月20日深圳市紅坳余泥渣土受納場因堆放的渣土和建筑垃圾堆積量大、堆積坡度過陡而導(dǎo)致失穩(wěn)垮塌,73人死亡、4人失蹤,33棟建筑損壞,直接經(jīng)濟(jì)損失8.8億余元;2009年6月27日上海蓮花路一在建13層住宅樓因土方堆放不當(dāng)導(dǎo)致房屋傾倒,1人死亡,直接經(jīng)濟(jì)損失1 900余萬元。土體失穩(wěn)引發(fā)的橋梁安全事故日益受到公眾的關(guān)注,成為研究的熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)[1- 4]進(jìn)行了土體水平位移對樁基影響的實(shí)驗(yàn)室模擬測試;文獻(xiàn)[5- 6]通過堆載場位變監(jiān)測數(shù)據(jù),推算影響臨近建筑樁基礎(chǔ)的安全距離;文獻(xiàn)[7- 9]分別采用有限元軟件PLAXIS、ABAQUS和ANSYS模擬了樁體在不同地面堆載與作用位置、樁土條件、樁身約束條件的工況,分析了主梁連接方式對其剪切變形及撓度的影響;文獻(xiàn)[10]結(jié)合現(xiàn)場樁基偏位實(shí)測結(jié)果,對比分析了單側(cè)、雙側(cè)堆載作用下樁基彎矩方向、反彎點(diǎn)等特征變化。
綜上可見,目前學(xué)者大多側(cè)重于堆載周圍土層變形、樁周土與橋梁樁基的相互作用方面,關(guān)于橋梁整體內(nèi)力和位移分析、影響構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)安全的研究較少,對于不同橋梁結(jié)構(gòu)形式在非對稱堆載影響下的響應(yīng)差異的分析更少。文中依托某高速公路匝道橋橋側(cè)大面積堆土后的安全性評(píng)估工程,利用有限元軟件ABAQUS建立橋梁-地基土-堆載土的計(jì)算模型,選取不同橋梁結(jié)構(gòu)形式、堆土維度等變量建立多組研究工況,模擬分析堆載土的擠土效應(yīng)、地基土層變形、橋梁樁土耦合關(guān)系以及橋梁整體結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的變化過程,用以評(píng)估堆載后匝道橋的安全狀態(tài);根據(jù)堆載影響下地基土的變形規(guī)律,探討堆土維度差異對橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響;最后對比分析了不同橋梁結(jié)構(gòu)形式非對稱堆載下的安全狀態(tài)。
某高速公路匝道橋跨徑組合為16 m+9×20 m+16 m,曲線半徑約120 m,上部結(jié)構(gòu)為鋼筋砼連續(xù)箱梁,主梁寬9.5 m,高1.2 m,采用40號(hào)混凝土;下部結(jié)構(gòu)1#-10#橋墩為獨(dú)柱墩,墩梁固結(jié),0#、11#橋臺(tái)為雙柱墩雙支座;樁基為單排樁,單排布置兩個(gè)樁,樁徑1.5 m,間距4 m,樁底標(biāo)高均在風(fēng)化巖層上,樁長38~46 m不等,由6.5 m×2.5 m×1.5 m承臺(tái)連接,采用30號(hào)混凝土,墩柱布置48根φ25主受力鋼筋,單根樁基布置20根φ25主受力鋼筋。土體主要參數(shù)如表1所示。
表1 土體主要參數(shù)
如圖1(a)所示,因改擴(kuò)建施工,橋側(cè)出現(xiàn)大面積堆土。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,堆土情況如下:堆土位于橋梁內(nèi)側(cè),寬約28 m,高2~7 m,邊緣距橋梁中心約12 m;0#橋臺(tái)-4#橋墩,堆土高7 m;4#橋墩-11#橋臺(tái),堆土高由7 m漸變至4 m,如圖1(b)所示。
(a)實(shí)物圖
圖1 匝道橋及堆土實(shí)物圖和平面示意圖
地基土層模型設(shè)置為300 m×150 m×60 m,長度在匝道橋首尾距離1.5倍以上,遠(yuǎn)高于樁基直徑,因此可忽略因邊界效應(yīng)產(chǎn)生的計(jì)算誤差,模型底部采用固定約束,側(cè)面邊界限制其橫向位移,頂面自由無約束。
堆土模型根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果,統(tǒng)一將坡度設(shè)置為1:0.5,控制形狀變量分別為堆土高度H、堆土寬度W和堆土間距L,如圖2(a)所示。
土體材料屬性定義按照表1設(shè)置,其中堆土層材料定義為素填土,并假設(shè)堆土層與地基土層層間位移完全耦合。土體網(wǎng)格單元采用通用實(shí)體單元C3D8R,為保證求解精度和模型收斂性,對匝道橋下方地基土層進(jìn)行分階段加密,如圖2(b)所示。
橋梁模型按照竣工圖建立,對主墩、承臺(tái)和樁基采用中性軸分網(wǎng)技術(shù),最小化網(wǎng)格過渡(見圖2(b))。
(b)橋梁和墩臺(tái)基礎(chǔ)
(c)支座和伸縮縫
參考前人研究[8],模型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分采用非協(xié)調(diào)單元C3D8I,該單元類型在分析模型受彎時(shí)精確度較高。
為研究不同結(jié)構(gòu)形式橋梁非對稱堆載影響下的變形差異,以原匝道橋?yàn)榛A(chǔ),在部分墩頂增設(shè)伸縮縫,并安置支座,經(jīng)計(jì)算墩頂最大荷載約為2 500 kN,根據(jù)相關(guān)規(guī)范[11],選取板式橡膠支座GJZ 300×400×74(CR),支座每層中間橡膠片厚8 mm,上下表面橡膠片厚2.5 mm,每層鋼板加勁層厚3 mm,共計(jì)7層加勁鋼板。伸縮縫處梁底由4個(gè)支座支撐,每片梁2個(gè)支座,如圖2(c)所示。支座模型內(nèi)部各橡膠層與加勁層之間設(shè)為綁定約束,以降低計(jì)算成本[12]。
采用面面接觸、有限滑移的算法,以硬接觸和庫倫摩擦形式模擬樁周土正壓力和摩擦力,摩擦因數(shù)由各土層內(nèi)摩擦角確定。庫倫摩擦即摩爾庫倫模型,其屈服準(zhǔn)則為:使得材料屈服破壞的內(nèi)力,表現(xiàn)為其屈服面上的點(diǎn)的剪應(yīng)力等于材料的抗剪強(qiáng)度[13],即
(1)
為研究不同類型匝道橋在當(dāng)前和極端非對稱堆載下的內(nèi)力和位移變化差異,建立3種有限元橋梁模型:①模型1(原橋,墩梁固結(jié)形式),除橋臺(tái)外其余橋墩均采用獨(dú)柱墩、墩梁固結(jié)形式;②模型2(半固結(jié)形式),分別在2#、4#、7#、9#墩頂設(shè)置伸縮縫和支座);③模型3(簡支梁橋),全橋墩頂均設(shè)置伸縮縫和支座。
考慮橋梁模型類型、堆土高度、堆土寬度、堆土間距的影響,計(jì)算參數(shù)選取如表2所示。
表2 計(jì)算參數(shù)1)
1)除組5中W與L值的選取為一一對應(yīng)的關(guān)系外,其他組均為各參數(shù)自由組合;2)組1算例即為當(dāng)前非對稱堆載下某匝道橋的模型工況;3)堆土高度中的2~7 m表示圖1(b)中的堆土情況。
為驗(yàn)證本文模型數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的可靠性,以組1算例為基礎(chǔ),對本文模型的模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[8,10,14]的研究結(jié)果進(jìn)行了對比分析。
根據(jù)文獻(xiàn)[10],在側(cè)方堆載影響下,樁身發(fā)生S型變形,反彎點(diǎn)位于軟硬土層交界處附近。根據(jù)本文模型計(jì)算結(jié)果,從位于堆載最高附近的2#、3#、4#墩樁身深度-彎矩曲線(見圖3(a))可見,樁基在側(cè)向荷載影響下產(chǎn)生正負(fù)彎矩,零點(diǎn)位于10 m深度附近,本文淤泥質(zhì)軟土層模型頂端平均深度為10 m,說明模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[10]關(guān)于樁身反彎點(diǎn)的結(jié)論非常一致。
根據(jù)文獻(xiàn)[8],軟土地區(qū)端承樁在堆載荷載影響下,樁體進(jìn)入土體后軸力開始近似呈線性增長,直到穿過淤泥層后才有減小的趨勢。本文淤泥質(zhì)軟土層模型底端平均深度為35 m,由堆土后樁基軸力-深度曲線(見圖3(b))可見,本文模型的模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[8]的結(jié)論基本一致。
為驗(yàn)證橋梁樁基彎矩變化與水平位移的關(guān)系,取該橋所有樁基變矩與水平位移作散點(diǎn)圖(見圖3(c)),可見樁身最大彎矩隨側(cè)向位移的變化曲線呈線性,該規(guī)律非常符合文獻(xiàn)[2,4,13- 15]的結(jié)論。
綜上可見,本文選取的橋梁-堆土-地基土模型和相關(guān)邊界條件、相互作用設(shè)置合理,計(jì)算結(jié)果可靠,能較好地分析匝道橋橋側(cè)大面積堆土后基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移變化。
該橋樁基采用單排樁,單排布置兩個(gè)樁,為方便比較橋梁不同結(jié)構(gòu)的位移大小,規(guī)定橋梁曲線上任意一點(diǎn)的切線方向?yàn)轫槝蛳?、法線方向?yàn)闄M橋向,將橋梁結(jié)構(gòu)的位移拆分為水平上的順橋向位移(U1)和橫橋向位移(U2)以及豎直方向上的沉降(U3)。兩端橋臺(tái)不列入彎矩分析,僅比較1#-10#墩的結(jié)果,如圖4所示,其中B表示主梁,IN表示內(nèi)側(cè)樁基,OUT表示外側(cè)樁基,F(xiàn)Z為軸力,M1、M2分別為主梁彎距和基礎(chǔ)彎距。
由圖4(a)可見,匝道橋的順橋向位移相對較小,1#墩內(nèi)側(cè)樁基處位移最大(達(dá)1.73 mm),4#墩處位移幾乎為0,堆載對匝道橋的影響體現(xiàn)為橫橋向擠壓,而匝道橋兩端的樁均受到一定的順橋向推力,產(chǎn)生一定位移,總體上位移大小由0#-11#臺(tái)呈現(xiàn)出“大—小—大”的V字形變化趨勢。由此可見,采用墩梁固結(jié)形式,在堆土水平推力作用下,樁基水平位移明顯大于橋墩水平位移(圖4(b)中的橫橋向位移同理),同時(shí)單排兩根樁基與堆載距離不同,內(nèi)側(cè)樁基位移稍大于外側(cè)。
圖3 本文有限元模型的模擬結(jié)果
圖4 匝道橋上部結(jié)構(gòu)和墩臺(tái)基礎(chǔ)的受力及位移情況
由圖4(b)可見:匝道橋的橫橋向位移稍大,2#墩內(nèi)側(cè)附近堆土最高為7 m,最大橫橋向位移達(dá)到峰值,位于2#墩內(nèi)側(cè)樁基處,達(dá)4 mm;11#臺(tái)處堆土高度降為2 m,橫橋向位移也下降,可見堆土高度越高,對附近樁基產(chǎn)生的水平推力越大,橫橋向位移也越大。
由圖4(c)可見:堆土高度越高,土體的下沉量越大,樁基的下沉量也越大,這與圖4(b)橫橋向位移的表現(xiàn)一致;沉降量在2#、3#墩之間達(dá)到峰值,最大沉降發(fā)生在3#墩內(nèi)側(cè)樁基處,達(dá)7.60 mm;橋墩下沉量介于兩根樁下沉量之間,堆土側(cè)樁基下沉量最大??梢姌騻?cè)大面積堆土后,匝道橋產(chǎn)生不均勻沉降,靠近堆載區(qū)域沉降值較大,橋梁整體趨向于往堆載處傾斜。
由圖4(d)、4(e)可見,堆土前后匝道橋的主墩軸力和主梁彎矩變化較小(彎矩取絕對值,不論正負(fù)。因彎矩最大值發(fā)生在墩頂,跨中彎矩的絕對值相對較小,圖中僅列出墩頂處彎矩),其中2#墩軸力最大,堆土前后分別為3 131和3 134 kN,3#墩處主梁彎矩最大,堆土前后分別為4 622和4 694 kN·m。可見,堆載對匝道橋墩柱和上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力基本無影響。
由圖4(f)、4(g)可見:匝道橋成橋狀態(tài)下各樁基軸力和彎矩較為平均;堆載后最大基礎(chǔ)軸力由2 079 kN增加至2 646 kN,增加27.3%;最大彎矩由130 kN·m增加至361 kN·m,增加177.7%,均位于3#墩處。
根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[17],沿周邊均勻配置縱向鋼筋的圓形截面鋼筋混凝土受壓構(gòu)件偏心受壓時(shí),正截面抗壓承載力設(shè)計(jì)值為
(α-α1)fsdAs≥γ0Nd
(2)
正截面抗彎承載力設(shè)計(jì)值為
(3)
計(jì)算得到匝道橋樁基抗彎承載力設(shè)計(jì)值為5 180 kN·m,抗壓承載力設(shè)計(jì)值為13 038 kN,而樁基模擬計(jì)算最大彎矩為361 kN·m,最大軸力為2 646 kN,匝道橋樁基內(nèi)力均遠(yuǎn)小于極限承載力。
綜上可見,橋側(cè)大面積堆土使匝道橋整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的位移,樁基軸力和彎矩增大,但均小于規(guī)范允許值,匝道橋處于安全狀態(tài)。
根據(jù)表2,設(shè)置4種工況(組2-組5),分析堆載量對橋梁受力和位移的影響。
為分析堆土高度H的影響,執(zhí)行組2工況,固定堆土寬度W為60 m,當(dāng)堆土間距L取不同值(分別為20、40 m)且堆土高度H由10 m增加到25 m時(shí),堆土對臨近樁基位移的影響見圖5(a)。從圖中可見,填土高度對樁基的水平位移和沉降的影響均很明顯,樁基位移隨著H的增大而增大,該影響近乎是線性的,與文獻(xiàn)[6,8]的結(jié)論一致。
為分析堆土寬度W的影響,執(zhí)行組3工況,固定堆土高度H為8 m,當(dāng)堆土間距L取不同值(分別為10、20 m)且堆土寬度W由20 m增加至60 m時(shí),堆土對臨近樁基位移的影響見圖5(b)。從圖中可見,堆土寬度的增加會(huì)導(dǎo)致臨近樁基位移的增大,其中對樁基水平位移的影響顯著,對沉降值的影響較小。
為分析堆土間距L的影響,執(zhí)行組4工況,固定堆土高度H為8 m、堆土寬度W為30 m,當(dāng)堆土間距L由10 m增加至40 m時(shí),堆土對臨近樁基位移的影響如圖5(c)所示。從圖中可知,堆土間距的增加會(huì)導(dǎo)致臨近樁基位移的減小,其中對樁基沉降的影響顯著,對水平位移的影響較小。該規(guī)律同時(shí)滿足圖5(a)、5(b)中組2和組3的模擬結(jié)果。
圖5 匝道橋樁基的位移和受力隨堆載規(guī)模大小的變化
對組4工況,因?qū)嶋H工程中堆土寬度W恒定較少出現(xiàn),常見措施只清理橋梁一側(cè)堆土,可視為W+L固定,清理橋側(cè)堆土后L增大,W減小,故進(jìn)行組5工況模擬,結(jié)果如圖5(d)所示。從圖中可知,同時(shí)增大堆載間距L、減小堆載寬度W,均會(huì)導(dǎo)致樁基水平位移的減小,相對組4結(jié)果,組5 橋梁樁基側(cè)向位移降幅顯著。
根據(jù)3.2節(jié)計(jì)算結(jié)果,匝道橋樁基的抗彎承載力、抗壓承載力設(shè)計(jì)值分別為5 180 kN·m和13 038 kN,組2-組5各工況的基礎(chǔ)彎矩和軸力均未超過規(guī)范允許值,如圖5(e)所示。在位移方面,墩臺(tái)沉降值和相鄰墩臺(tái)沉降差值均滿足規(guī)范,而部分工況的樁基側(cè)向位移超出規(guī)范允許值U=25 mm,如圖5(a)、5(b)、5(d)所示。荷載是影響樁身內(nèi)力和位移的根本因素,當(dāng)堆土高度或?qū)挾冗^大,堆土與橋梁的間距過小時(shí),樁基承受的側(cè)向壓力越大,樁體軸力和彎矩也增大,最先達(dá)到極限狀態(tài)的是樁基水平位移,導(dǎo)致匝道橋存在安全隱患,在實(shí)際工程中要注意控制堆載規(guī)模和與橋梁的間距。
建立2.4節(jié)墩梁固結(jié)式、半固結(jié)式和簡支梁橋3種橋型模型,模擬分析非對稱堆載后的變形差異。
為分析模型2和模型3在當(dāng)前非對稱堆載下的受荷情況,執(zhí)行組6工況,伸縮縫處橋梁結(jié)構(gòu)的位移情況見圖6。從圖中可見,在非對稱堆載影響下,兩片梁下支座產(chǎn)生方向相反的剪切變形,梁板間有明顯顏色跳躍,表示伸縮縫的張拉造成橋梁上部結(jié)構(gòu)的不連續(xù)變形。各支座和伸縮縫的詳細(xì)變形如表3所示。
圖6 橋梁梁板及伸縮縫的位移圖
從表3可見:順橋向變形率均在99%左右,全橋支座以順橋向剪切變形為主,基本未發(fā)生橫橋向錯(cuò)位變形;設(shè)置4道伸縮縫的模型2相對于設(shè)置10道伸縮縫的模型3,單個(gè)伸縮縫的變形量更大,但伸縮縫變形量總和較小(7.66 mm<8.41 mm),說明設(shè)置數(shù)量較多的伸縮縫雖然有利于保護(hù)支座,但可能使橋梁整體變形量增大。李枝軍等[12]提出了板式橡膠支座的滑動(dòng)破壞參考標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)《公路橋梁板式橡膠支座》[11],支座的剪切變形根據(jù)側(cè)向位移大小和當(dāng)前支座的橡膠層厚度的比值進(jìn)行計(jì)算,以支座發(fā)生滑動(dòng)摩擦為判斷其失效的標(biāo)準(zhǔn),一般地,對于受水平力作用的支座在上下表面達(dá)到最大靜摩擦力時(shí),剪切變形為80%~100%。由表3可知,模型2和模型3中的支座剪切變形量均在安全范圍內(nèi),且遠(yuǎn)小于極限值。
表3 兩個(gè)匝道橋模型中的支座和伸縮縫的變形情況
為校核3個(gè)匝道橋模型在極端非對稱堆載條件下的安全性,執(zhí)行組7工況,選取使模型1最大基礎(chǔ)水平位移達(dá)到規(guī)范允許值25 mm的工況(H=8 m,W=60 m,L=10 m)為參考,對半固結(jié)模型2和簡支模型3進(jìn)行模擬,部分位移和內(nèi)力模擬結(jié)果如圖7所示。
從圖7(a)可見:在較大非對稱堆載影響下,墩梁固結(jié)橋梁(模型1)樁基存在不等側(cè)向位移,起點(diǎn)位移較大,2#墩側(cè)向位移最大達(dá)25 mm,終點(diǎn)側(cè)樁基位移相對較??;對于設(shè)置伸縮縫的模型2和模型3,樁基側(cè)向位移稍微增大,且曲線更加平緩,各墩臺(tái)下樁基橫向水平位移趨于平均。
由圖7(b)可見,對于上部結(jié)構(gòu)位移情況,模型2和模型3相對模型1均有顯著的提升,即設(shè)置伸縮縫,可使橋梁上部結(jié)構(gòu)在非對稱荷載下產(chǎn)生更大的位移。
由圖7(c)可見,3種模型相同位置樁基的最大彎矩大小相近,表明上部結(jié)構(gòu)和支座設(shè)計(jì)的變更對匝道橋墩臺(tái)基礎(chǔ)的影響較小。
圖7 3個(gè)匝道橋模型的受力及位移情況
經(jīng)校核,組7各工況支座變形量均在失效臨界值內(nèi),不再贅述。
綜合上述可知:對于半固結(jié)和簡支梁橋,墩臺(tái)基礎(chǔ)內(nèi)力的變化較?。辉谀P?內(nèi)側(cè)樁基最大側(cè)向位移達(dá)到極限值U=25 mm的情況下,模型2和模型3的位移略微增加,其中模型3的2#墩內(nèi)側(cè)樁基水平位移超出規(guī)范允許值1.5 mm,存在安全隱患;增設(shè)伸縮縫和支座,可致使上部結(jié)構(gòu)的位移顯著增加,但仍小于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)位移,上部結(jié)構(gòu)安全。
大面積堆土破壞了地基土平衡狀態(tài),引起不均勻沉降和水平位移,致使橋梁樁基豎向荷載增加、撓曲變形增大,造成安全隱患。文中利用有限元軟件ABAQUS建立橋梁-地基土-堆載土的計(jì)算模型,選取不同橋梁結(jié)構(gòu)形式、堆土維度等變量建立多組研究工況,模擬分析了堆載土的擠土效應(yīng)、地基土層的變形、橋梁的樁土耦合關(guān)系以及橋梁整體結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力變化過程;探討了堆土維度差異對橋梁結(jié)構(gòu)的影響;最后對比分析了不同橋梁結(jié)構(gòu)形式非對稱堆載下的安全狀態(tài)。結(jié)果表明:
(1)橋側(cè)堆土后,匝道橋基礎(chǔ)彎矩相較成橋狀態(tài)增加177.7%,基礎(chǔ)軸力增加27.3%,主墩及上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力無明顯變化,處于安全狀態(tài);
(2)堆土規(guī)模增大到極限狀態(tài)時(shí),該橋可能因樁基水平位移過大而破壞,清理橋側(cè)堆土可大幅降低墩臺(tái)基礎(chǔ)水平位移,確保橋梁安全;
(3)堆土規(guī)模、位置以及橋梁形式均對橋梁結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響,堆土高度、寬度越大,間距越小,橋梁結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力越大;
(4)墩梁固結(jié)對限制橋梁上部結(jié)構(gòu)位移有較大的作用;
(5)進(jìn)行橋梁安全評(píng)價(jià)時(shí),應(yīng)結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)、線形、地基土、堆土等因素進(jìn)行綜合分析。