近海填土對既有橋梁樁基影響分析與建議

田 帥

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

隨著沿海城市的發(fā)展，土地資源逐漸成為制約其城市發(fā)展的瓶頸。工程建設(shè)中常常出現(xiàn)由于地面填筑、堆載等施工導(dǎo)致鄰近結(jié)構(gòu)物樁基拉應(yīng)力和位移過大的情況。

目前很多學(xué)者針對填土對樁基的影響做了許多研究工作，蘭南[1]等分析了填土在不同距離、不同堆載速率的條件下，對橋梁基礎(chǔ)的影響情況。聶磊[2]研究了不同堆載分布寬度和高度對鄰近樁基的影響。陳富強(qiáng)[3]等就填土加高對橋梁樁基的內(nèi)力和變形研究進(jìn)行了研究分析。但對于填土的方向以及分層填土的順序缺乏相關(guān)研究。本文結(jié)合沿海某項目采用Midas GTS NX 三維數(shù)值模擬方法分析了填土方向以及分層填土銜接順序?qū)蚨諛痘挠绊懀瑫r對比分析了填土對不同橋墩樁徑的影響以及對橋墩采用不同保護(hù)措施下填土對橋墩樁基的影響，研究結(jié)果可以為類似工程設(shè)計施工提供參考。

1 工程概況

沿海某項目通過填海筑島形成穩(wěn)定陸域，為島上隧道、道路、橋臺、風(fēng)塔等島內(nèi)構(gòu)筑物的施工創(chuàng)造相對良好的施工條件。島壁結(jié)構(gòu)施工完畢后，島壁內(nèi)側(cè)區(qū)域回填中粗砂至標(biāo)高2.5 m，然后分區(qū)域分層回填中粗砂至標(biāo)高7.5 m。由于人工島目前尚未施工，而且筑島區(qū)域與沿江高速部分橋樁位置重合，存在相互影響。為了保障鄰近高速橋梁的運(yùn)營安全，有必要研究人工島在填筑過程中對沿江高速橋墩的影響。圖1 為沿江高速橋墩平面布置圖。

圖1 填土范圍內(nèi)橋墩樁位圖

2 計算模型

為了研究島內(nèi)填土對鄰近橋樁的影響，根據(jù)東人工島南端的實際施工現(xiàn)場情況，利用MIDAS GTS NX三維有限元軟件建立以71#～74# 橋墩為背景的計算模型，研究相關(guān)施工過程對其造成的影響，壩內(nèi)填土厚度共7.5 m，第一層填土2.5 m，隨后按1 m 分層填土至設(shè)計標(biāo)高。

模型中土體均采用實體單元模擬，計算模型見圖2 和圖3，具體參數(shù)見表1。

表1 土體模型參數(shù)

圖2 橋梁承臺與樁基透視圖

圖3 整體模型網(wǎng)格圖

橋墩與樁基分別采用實體單元與梁單元模擬，為了降低筑島對鄰近橋樁的影響，利用鋼板樁保護(hù)橋墩，采用板單元模擬鋼板樁的保護(hù)作用，板厚取20 mm，具體參數(shù)見表2。

表2 橋梁承臺、樁基與鋼板樁參數(shù)

為了防護(hù)海浪影響，人工島邊緣采用堤壩加固，堤壩擬采用塊石基礎(chǔ)，利用3 t 扭王字塊進(jìn)行護(hù)面，堤壩外海側(cè)采用分級放坡處理。由于堤壩整體性較好，強(qiáng)度高，根據(jù)工程經(jīng)驗，模型中采用重度為22 kN/m3，泊松比為0.3，彈性模量為150 MPa。

堤壩下方土體采用水泥攪拌樁加固，水泥攪拌樁采用等效為提高同等范圍內(nèi)的土體參數(shù)，等效的水泥土參數(shù)根據(jù)工程經(jīng)驗進(jìn)行取值，重度取為19.5 kN/m3，彈性模量取120 MPa，泊松比取0.3，粘聚力取80 kPa，內(nèi)摩擦角取20°

3 計算結(jié)果分析

（1）順橋向填土與橫橋向填土對比分析

由于橋樁的順橋向方向和橫橋向方向布置存在差異，那么不同方向的填土便會對橋樁產(chǎn)生不同的影響。對比分析橫橋向填土與順橋向填土的填筑方式對橋樁變形影響的差異。兩種填筑方法示意見圖4。

圖4 不同填土方式示意圖

每層填土共分三個區(qū)域，①區(qū)、②區(qū)和③區(qū)，若第一層填土按照①區(qū)～③區(qū)的順序填筑，則第二層土按照③區(qū)～①區(qū)的順序填筑，依次類推。

表3 為兩種填土填筑方式下，不同施工步驟橋樁順橋向位移的最大值，采用橫橋向填土方式，橋樁最大變形值為50.4 mm，而采用順橋向填土方式最終變形為63.9 mm。由此可見，采用橫橋向填土方式對橋樁的順橋向位移影響相對較小。

表3 不同填土方式順橋向最大位移值

表4 為兩種填土填筑方式下，不同施工步驟橋樁橫橋向位移的最大值，采用橫橋向填土方式，橋樁最終變形值為4.38 mm，而采用順橋向填土方式最終變形為4.15 mm。由此可見，采用順橋向填土方式對橋樁的橫橋向位移影響相對較小。

表4 不同填土方式橫橋向最大位移值

綜合上述分析可以看出，填土對橋樁的影響主要以樁基的順橋向位移變形為主，而采用橫橋向填土方式更有利于控制橋樁的順橋向位移，因此，采用橫橋向的填土方式完成島內(nèi)土體填筑對控制橋樁變形更加有利。

（2）分層填土不同銜接順序?qū)驑段灰朴绊?/p>

以橫橋向填土方式為例，分析由本層填土過渡到下一層填土的銜接順序?qū)驑俄槝蛳蛭灰频挠绊?，具體對比分析以下兩種工況：

工況一：本層土按①區(qū)～③區(qū)的順序填土，而下一層土按照③區(qū)～①區(qū)順序填土。

工況二：本層土按①區(qū)～③區(qū)的順序填土，而下一層土按照①區(qū)～③區(qū)順序填土。

結(jié)合表5 和表6 數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，第一層填土和第二層填土銜接時，工況一與工況二引起的位移變化值分別為0.49 mm 和0.78 mm；第三層填土與第四層填土銜接時引起的位移變化值分別為0.62 mm和0.96 mm，這說明工況二對橋樁的變形影響較大，故采用工況一中的填土銜接方式更有利于控制分層填土對橋樁變形的影響。

表5 第一層填土和第二層填土銜接時順橋向位移變化值

表6 第三層填土和第四層填土銜接時順橋向位移變化值

（3）橋樁樁徑變化的影響

由于橋樁外套鋼管，實際樁徑接近1.8 m，故對比分析了1.6 m 樁徑和1.8 m 樁徑的橋梁樁基在填土作用下的變形和受力特征。

根據(jù)表7 中計算結(jié)果數(shù)據(jù)，分析可以知道，樁徑增大導(dǎo)致樁基的水平位移值有所減小，但會引起樁身附加彎矩的增大，樁身附加彎矩增大約30%。

表7 不同樁徑變形與附加彎矩統(tǒng)計表

（4）不同橋墩保護(hù)方案對比分析

以橫橋向填土方式，工況一填土銜接順序為例研究不同保護(hù)方案下填土對橋樁的影響。

分別模擬鋼板樁保護(hù)方案與鉆孔灌注樁保護(hù)方案下填土對橋樁的影響，鋼板樁采用IV 型拉森鋼板樁，灌注樁直徑為1.5 m。計算結(jié)果見表8。

表8 不同橋梁樁基保護(hù)措施橋樁變形結(jié)果

根據(jù)表8 結(jié)果分析可知，采用鉆孔灌注樁保護(hù)鄰近橋墩可以顯著控制橋樁的變形，樁基順橋向位移降低約70%。

若采用鋼板樁保護(hù)，最終填土區(qū)域內(nèi)橋樁變形將達(dá)到50.4 mm，會對橋樁產(chǎn)生極大不利影響，故最終壩內(nèi)填土區(qū)域橋墩采用灌注樁保護(hù)，鄰近壩堤以及壩堤處橋墩采用鋼板樁保護(hù)，不同保護(hù)措施下的橋樁變形均得到了有效控制。

4 結(jié) 語

本文借助Midas GTS NX 軟件建立三維數(shù)值模型對橋樁周邊填土進(jìn)行模擬，研究了不同填土方向、逐層填土不同銜接順序，橋樁樁徑變化以及不同橋墩保護(hù)方案對橋樁的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

（1）填土對橋樁的影響主要以樁基的順橋向位移變形為主，而采用橫橋向填土方式更有利于控制橋樁的順橋向位移，因此，建議采用橫橋向的填土方式完成島內(nèi)土體填筑。

（2）采用工況一（本層土按①區(qū)～③區(qū)的順序填土，而下一層土按照③區(qū)～①區(qū)順序填土）的填土銜接方式更有利于控制分層填土對橋樁變形的影響。

（3）樁徑增大導(dǎo)致樁基的水平位移值有所減小，但會引起樁身附加彎矩的增大。

（4）相比于鋼板樁保護(hù)措施，鄰近人工島南端填土區(qū)域內(nèi)的橋墩采用鉆孔灌注樁保護(hù)措施更有力于控制橋樁變形。