軟土地區(qū)大面積堆載對鄰近高架橋墩的影響分析研究

馬志龍，潘春輝

（1.天津濱海新區(qū)軌道交通投資發(fā)展有限公司，天津市 300450；2.上海市政工程設計有限公司，上海市 200438）

0 引言

隨著城市交通的迅速發(fā)展，高架橋梁在沿海軟土地區(qū)的城市中得到了廣泛應用。出于景觀要求，橋梁周邊需要建造微地形，從而要求在既有地形上進行大面積堆土。這樣就需要分析堆土對相鄰橋墩的影響。軟土具有富水飽和性、壓縮模量低、泊松比高的特點。在豎向堆載壓縮下，軟土將會產生側向膨脹，且因土體飽和，堆載引起超孔隙水壓力難以釋放，引起的樁基側向壓力較大，對橋梁的影響較大，已有較多引起橋墩變形甚至橋梁坍塌的嚴重案例。

關于大面積堆土對鄰近橋墩的影響，目前國內學者已有相關研究。萬友元[1]計算了填土對橋梁內力的影響，采用數(shù)值有限元軟件，通過荷載結構法模型計算出來的橋墩的拉應力最大值超過了混凝土抗拉強度標準值，得出意外堆載需要進行相應處理的結論。但是其計算方法較為單一，沒有考慮鋼筋在結構中對抗拉強度的影響。孫劍平等[2]對某高速橋墩因高邊坡過度堆載導致的橋墩樁基位移問題進行了理論分析和數(shù)值模擬分析，在全面總結現(xiàn)有糾偏技術基礎上提出了樁側鉆孔卸壓、樁側頂推扶正的綜合糾偏技術。潘曉東等[3]以杭州因填土引起的橋梁坍塌為例，采用有限元分析對比了不同土體參數(shù)、填土的高度、橋梁與道路夾角對橋梁結構的影響。馮忠居等[4]根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，利用BOZOZUK 提出的分析標準對橋梁受堆載影響進行分析，提出了預應力錨索進行糾偏的技術，但是僅僅采用國外單一標準，并沒有對比該標準制定的相關條件是否符合現(xiàn)狀橋墩情況，做出的判斷不夠嚴謹。楊敏等[5]針對超載對鄰近的樁基與周邊土體之間的關系問題，采用了修正的彈性地基梁模型，用解析和數(shù)值計算方法分析了土體與樁基相互作用機理。該方法理論較為嚴密，但是在確定主動被動彈性系數(shù)ka 和kb 上是實際應用的難點，且難以考慮地下水位、飽和土體超靜水壓力對樁基的影響。吳江斌等[6]研究了軟土地區(qū)大面積填土對地表沉降和樁基變形的影響，并提出了采用結構架空、輕質材料等卸荷方法和樁基隔離的措施。這一系列設計措施在軟土地區(qū)具有較好的實用性。

本文以杭州某高速公路橋梁周邊景觀地形堆載項目為依托，采用數(shù)值有限元方法，對堆載引起橋墩變形進行研究，期望為類似工程提供相關經驗。

1 研究背景

1.1 工程概況

杭州市紫金港入城口綜合整治工程為在已有高架橋邊設計景觀地形。由于現(xiàn)狀地形高度較大、距離橋墩較近，需要做堆土對橋梁影響的數(shù)值分析。

橋梁總平面圖、堆土位置見圖1，分析區(qū)位見圖2，橋梁結構平面布置圖、橋梁縱斷面、橋梁橫斷面圖見圖3~ 圖5。橋梁樁基持力層為中風化砂礫巖，橋墩處地坪絕對標高2.0 m。橋梁上部結構為小箱梁，下部結構為樁柱式蓋梁。

圖1 總平面圖

圖2 分析區(qū)位

圖3 橋梁結構平面布置圖

圖5 橋梁橫斷面圖

1.2 工程地質條件

根據(jù)“橋梁勘察報告”，本場地共劃分為31 個工程地質層。與分析相關的主要土層為②1粉土、②2淤泥質粉質黏土、②2’淤泥、③1-2粉質黏土、③2粉質黏土、④1-2中砂、④1-3’粉砂、⑤3-1粉砂、⑤3-2礫砂、強風化巖、中風化巖。

圖4 橋梁縱斷面圖

主要土層物理力學指標見表1。

表1 土體物理力學指標

2 橋梁樁基的豎向與水平位移分析

2.1 建模原則

（1）采用二維平面模型，考慮荷載影響邊界，考慮樁基與土體的相互連接參數(shù)。

（2）考慮地應力平衡、土體堆載的施工工況，對該堆土卸載導致的橋梁樁基沉降和水平位移進行了Plaxis 數(shù)值計算分析。

（3）根據(jù)地勘報告，對現(xiàn)狀地層的厚度、地下水位、土體的彈模、強度指標參數(shù)等進行歸類選取。地層的厚度，根據(jù)不同土層參數(shù)選取類似參數(shù)進行歸并。土體的強度指標和變形指標根據(jù)建模的本構模型進行對應換算，根據(jù)計算區(qū)域最近的鉆孔對參數(shù)進行分析選取。不同土層厚度歸并參數(shù)可以選擇平均值進行合并。

2.2 數(shù)值建模

實際上，采用有限元模擬計算堆載對相鄰橋墩的應力應變影響很難做到精確解。因為實際條件下，土體參數(shù)具有復雜性，結構尺寸具有變異性，施工過程也具有不確定性。但是在現(xiàn)有的條件手段下，有限元分析方法較為方便，在宏觀上與現(xiàn)實條件有一定的吻合度。

計算范圍：模型上邊界到堆載的上部，下邊界到樁基底部以下20 m，橫向取堆土實際范圍長度，至兩邊坡腳的寬度，并延伸之外10 m。模型的尺寸大小滿足計算要求，計算的應力應變至邊界會收斂。

土體的本構模型采用應變強化模型（HS 模型）。與理想彈塑性模型不一樣的是，HS 模型的屈服面在應力向量場中的形狀隨著非線性應變產生的大小而不斷擴大。其彈性強化分為剪切彈性強化和拉壓彈性強化兩種方式。剪切彈性強化用于響應偏應力引起的應變。該應變屬于塑性應變。拉壓彈性強化用于響應正應力引起的應變。該應變?yōu)樗苄宰冃巍＿@兩種強化形式均在本構模型的參數(shù)模型中體現(xiàn)。

Hardening-Soil 本構相對于理想彈塑性模型具有相當?shù)膬?yōu)勢，它對于軟土地區(qū)和硬質土地區(qū)均有適應性（Schanz，1998）。在主應力偏量的作用下，土體產生了塑性變形，不可逆的變形導致土體的彈模下降。在排水三軸試驗條件下可以看到，土體的偏應力和軸應變之間呈現(xiàn)一定的非線性關系。Kondner（1963）最早發(fā)現(xiàn)并研究了這個關系，并證明了該關系有雙曲線數(shù)學規(guī)律，因此定義為雙曲線本構模型（Duncan & Chang, 1970）。而作為鄧肯張模型的修正版，Hardening-Soil 模型目前已經得到廣泛應用。源于它考慮了塑性變形而不是彈性變形，而且對于土體的剪切應力引起的膨脹效應也進行了描述，因此引入了屈服帽蓋。

對于HS 模型建模的最主要的方法就是，考慮三向應力條件下，豎向應變ε1與偏應力q 之間所呈現(xiàn)的雙曲非線性關系。因此簡化的應力應變關系如下式所示：

式中：qa為抗剪偏應力的硬化極限強度，見圖6。

圖6 標準排水三軸試驗主加載下雙曲型應力- 應變關系

2.3 計算模型概述

根據(jù)地勘報告對土層進行分層，反映了最初的地形標高為2.500 m 左右。最新測量的新近堆土地形標高為3.500 m（堆土時間10 個月左右）。根據(jù)堆土情況，選取距離堆土最近的8 號橋梁D 匝道的下部結構進行分析。

根據(jù)景觀堆土設計方案，選擇9 種工況，分別代表不同堆土高度、堆土與橋墩的距離、堆坡坡率，計算對橋墩的影響。計算模型共7 389 個單元，網(wǎng)格數(shù)量有7 771 個，模型四周的邊界條件為位移邊界，即上表面為自由邊界，下表面為y 向固定約束，左右為x 方向固定約束。

計算模型中考慮橋梁上部結構的自重，通過荷載施加到承臺和樁基上，土體和景觀堆載采用有限元模型自動計算，見圖7。

圖7 計算模型

橋梁樁長45 m，樁頂荷載取樁基的單樁承載力6 700 kN，景觀土體參數(shù)取普通填土參數(shù)。

3 計算結果分析

樁基的變形主要為水平變形和豎向變形。根據(jù)相關文獻，豎向位移主要為堆載引起土體內部附加應力增加產生土體壓縮，對樁側產生負摩阻力，引起摩擦樁的豎向變形，嚴重的可以削弱樁基豎向承載力，甚至引起樁基破壞。水平位移主要由土體豎向壓縮導致泊松比產生的水平向應力對樁基產生的水平向荷載，可以運用彈性地基梁簡化樁基分析樁土之間在水平推力作用下的變位響應。對于飽和軟黏土，不可忽視的因素在于土體在短期加載過程中超孔隙水壓力的作用。該孔隙壓力可以在短期內大大提高土體泊松比，使得土體在豎向荷載作用下為體積不變彈性體，從而對側向樁基推力有較大作用，隨著時間的變化會慢慢消散。該部分附加應力難以用荷載結構彈性地基梁方法計算，采用考慮土體有效應力和超孔隙水壓力的彈塑性有限元方法是較為合適的分析方法。

根據(jù)有限元模型計算分析，工況1 條件下現(xiàn)有橋梁8 號橋梁D 匝道下部結構附近堆土引起的變形結果云圖見圖8、圖9。由圖形變位情況可以知道，樁基在單側堆載下呈現(xiàn)不均勻豎向和水平變形狀態(tài)，靠近堆載一側的變形要大于原理堆載一側?？赡艿脑蛟谟?，大面積堆載在范圍外擴散至土體內引起的附加應力隨著深度和距離是衰減的。根據(jù)土體彈性應力分布Boussinesq 解可以知道，隨著大面積堆載范圍外側距離和深度的增加，衰減的速率是較快的。加之群樁的阻隔效應，遠離堆載一側的樁基變形遠小于靠近一側。因此在實際設計施工中，要考慮到樁基承臺不均勻變形產生的橋梁的內力變化不利影響。

圖8 工況1 橋墩豎向位移圖

圖9 工況1 橋墩水平位移圖

對9 種工況分別計算，考慮不同堆坡高度、堆載坡率、與樁基距離的因素，分析施工后承臺的豎向和水平最大位移，計算結果詳見表2。根據(jù)計算結果可知，堆載的高度和距離對樁基變形有至關重要的影響。隨著堆載高度的降低，承臺的豎向和水平向變形減??；隨著堆載距離的增大，承臺的豎向和水平變形減小。因此在實際施工中，應盡量減小堆載高度，增大堆載與橋墩的距離。

表2 橋梁承臺變形計算

根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》[6]，對水平位移敏感的建（構）筑物柔性樁基，采用水平靜載試驗結果為6 mm 時作為水平承載力特征值，即樁頂水平位移控制指標為6 mm。根據(jù)《公路橋涵地基及基礎設計規(guī)范》（JTG D63—2007）[7]附錄P，當非巖石地基水平向抗力系數(shù)m 取值時，應考慮地面即樁頂水平位移不超過6 mm。因此，可以考慮樁基水平位移6 mm 為控制標準。在本工程案例中，根據(jù)計算分析評估，堆土標高（坡頂）建議不超過6.5 m，土坡底邊線與橋墩外圍樁基的控制距離建議不小于12 m，最高點距離橋墩外圍樁基建議不小于35 m。實際施工也是依據(jù)該標準，施工后對既有橋墩的監(jiān)測情況有良好的安全保證，驗證了采用有限元分析方法，對分析堆載引起橋墩變形響應和采取相關設計方案有較好的實際運用效應。

4 結論

本文基于杭州某高速公路橋梁周邊景觀地形堆載項目，詳細分析、研究了大面積堆載對既有橋墩的影響，得出了相關有創(chuàng)新意義的結論。

（1）采用HS 本構模型，考慮土體有效應力和超孔隙水壓力的彈塑性有限元分析方法，對軟土地區(qū)堆載引起土體應力應變和結構響應的相關問題是較為合適的，對實際施工具有指導意義。

（2）采用多種工況比選，考慮多種因素，包括堆載的高度、堆載的坡率、堆載與既有橋墩的距離，分析橋墩的變形響應，是較為科學的分析思路。本文根據(jù)相關規(guī)范控制水平變形為6 mm 作為橋梁在堆載作用下的極限位移，從而針對性地設計了景觀堆載的規(guī)模。

（3）由于樁基的阻隔效應和應力擴散的衰減，樁基產生的豎向位移和水平向位移呈現(xiàn)不均勻性。因此在實際施工中，結合計算分析，需要加強既有橋墩的監(jiān)測工作，確保實施安全、可靠。