路堤堆載對高速公路橋梁基礎(chǔ)影響分析

章方彬，黃一華，楊 陽，黃 俊

(1.瑞安市交通工程建設(shè)中心，浙江 溫州 325200； 2.中鐵十局投資公司，浙江 溫州 325200)

0 引言

隨著我國公路建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，市域高速公路橋梁總里程不斷增加。但由于多種施工條件和環(huán)境等因素限制，在高速橋梁周圍常出現(xiàn)堆載大面積、大高度的沖填土、施工棄土等情況[1]。高速公路交通規(guī)劃中也常遇見多條路線同時交叉施工等復(fù)雜工況。從力學(xué)角度來看，橋梁基礎(chǔ)附近堆載會導(dǎo)致周圍地下結(jié)構(gòu)及其周圍土體應(yīng)力(包括水、土壓力)重新分布，這涉及土力學(xué)中典型的強(qiáng)度與穩(wěn)定問題，同時還涉及到土與周圍結(jié)構(gòu)的相互作用。從變形角度來講，過多的堆載必將引起樁基周圍土體發(fā)生變形(比如周圍土體側(cè)移、地表沉降等)，并通過土介質(zhì)進(jìn)一步傳遞，影響到周圍房屋建筑群、縱橫南北高架橋、地下軌道與市政管線等。

李志偉等[2]分析了不對稱堆載及后期行車荷載對樁基內(nèi)力和變形的影響；胡建榮[3]考慮堆載過程中將被動樁有限元計算方法推廣到帶排架排樁的計算；崔兵[4]開展交通荷載作用下的低路堤軟土地基室內(nèi)模型試驗綜合分析土體在單點激振的交通荷載下土體土壓力和孔隙水壓力變化規(guī)律。梁育瑋[5]利用離心模型試驗分析得出橋梁樁基的長度對側(cè)方堆載的變形響應(yīng)模式不同；李金亭[6]通過有限元計算發(fā)現(xiàn)堆載越靠近路堤對稱軸，工后沉降越小，堆載預(yù)壓效果越明顯。李仁平等[7]提供了一種通用分析方法用于側(cè)向受荷樁基的受力分析方法。

溫州市典型的軟土地基具有高地下水位、高含水率、高孔隙比、壓縮模量小等特點[8]。當(dāng)?shù)馗咚贅蛄夯A(chǔ)多采用樁基礎(chǔ)，但由于樁基礎(chǔ)的抗側(cè)移剛度差，樁基在軟土地基中常出現(xiàn)傾斜等現(xiàn)象[9-13]。路堤堆載對上層高速公路橋梁基礎(chǔ)的影響更大，因此本文主要通過數(shù)值模擬的方法分析在較不利路基堆載工況下，堆載高度及樁基承臺約束對高速橋梁樁基的影響。

1 工程概況

依托工程為溫州市繞城高速公路北線二期，工程特殊性巖土為軟土，巖性為淤泥、淤泥質(zhì)土，軟土層具有含水量高，壓縮性高，強(qiáng)度低，固結(jié)時間長等特點，作路基基礎(chǔ)時易產(chǎn)生過量沉降、不均勻沉降、路堤失穩(wěn)及橋頭跳車現(xiàn)象，軟土區(qū)樁基施工時，易發(fā)生樁基縮孔問題。

項目在北白象樞紐區(qū)、七里港互通區(qū)和黃花樞紐及連接線等有深厚軟土層，平均淤泥厚度達(dá)40 m～50 m。采用的填方路堤均為軟土地段(路基地勘參數(shù)見表1)，且為高速公路橋下空間，高架橋基礎(chǔ)即位于本項目中央分隔帶。根據(jù)施工圖有兩種路基斷面，如圖1(a)所示為單邊放坡工況，圖1(b)為雙邊放坡中出現(xiàn)的側(cè)方堆載較不利工況，圖1(c)為施工過程中分層堆載斷面。本文選用一種考慮到最不利工況的施工過程進(jìn)行分析。路基頂寬34.5 m，路堤堆載1.4 m，承臺尺寸13.3 m×13.3 m×2.5 m，樁長為100 m(實際樁基樁長)，樁徑1.6 m。

表1 路基地勘參數(shù)(均值)

2 有限元計算

2.1 計算模型

有限元分析采用商業(yè)有限元軟件ABAQUS進(jìn)行建模與求解，模型見圖2。土體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖模型，土體參數(shù)選取試驗段土層的初始地勘參數(shù)如表1所示。樁承臺平面尺寸為13.3 m×13.3 m，承臺高2.5 m，承臺模量與樁一致。填土高根據(jù)相應(yīng)工況確定，填土密度為1.85 g/cm3，路堤工況參考圖1(c)的工況(工況1)，工況1計算樁長100 m，路堤堆載為1.4 m，分級堆載，每級堆載0.4 m。路堤堆載荷載值為相應(yīng)填土自重，并考慮路堤上20 kPa的行車荷載。其中工況1中分別考慮樁基有承臺約束及無承臺約束進(jìn)行數(shù)值模擬計算。

模型的邊界條件為：底部邊界為固定邊界，頂部邊界為自由邊界，前后邊界為側(cè)向約束，左右邊界為正向約束。計算過程中樁頂間距保持5.3 m不變，承臺高度和填土高度是變化的，不考慮填土的固結(jié)變形。分析過程中樁土之間采用了ABAQUS提供的簡化的綁定約束來模擬樁土界面上的相互作用。分析采用八節(jié)點六面體線性非協(xié)調(diào)模式單元C3D8I。計算結(jié)果返回各工況中單樁的軸力、側(cè)摩阻力、縱向彎矩、橫向彎矩、縱向水平位移、橫向水平位移以及沉降等數(shù)據(jù)。各個工況均選取3×3樁組的角部四根樁進(jìn)行數(shù)據(jù)提取與繪圖。計算工況中近樁、遠(yuǎn)樁位置如圖3所示。

2.2 計算結(jié)果

2.2.1 樁身應(yīng)力

如圖4～圖6所示為近角樁及遠(yuǎn)角樁隨路堤堆載過程的側(cè)摩阻力、軸力、縱向彎矩、橫向彎矩隨樁基深度變化曲線圖。旁側(cè)路基堆載會導(dǎo)致堆載位置土體產(chǎn)生沉降從而導(dǎo)致局部土體沉降大于樁身沉降而產(chǎn)生向下的負(fù)摩阻力，負(fù)摩阻力會成為樁的附加荷載降低樁身承載力對樁身的安全性產(chǎn)生影響[14]。圖4a)顯示了在堆載過程中遠(yuǎn)近角樁樁身摩阻力沿深度分布曲線，由圖可知在埋深0 m～40 m左右樁基出現(xiàn)了負(fù)摩阻力且樁頭位置由堆載產(chǎn)生的負(fù)摩阻力最大，約19 kPa近角樁摩阻力總體略大于遠(yuǎn)角樁摩阻力，負(fù)摩阻力隨埋深呈減小趨勢，在埋深約42 m處為中性點。

圖5顯示樁身軸力隨路堤堆載高度提升而增大，且遠(yuǎn)近角樁在路堤堆載過程中軸力變化規(guī)律基本一致，每級堆載軸力最大值在樁基埋深約43.8 m處。在堆載荷載較低時近角樁軸力發(fā)展較快，遠(yuǎn)角樁在第1級加載過程中出現(xiàn)了樁身受拉的現(xiàn)象?？傮w近角樁承受軸力約為遠(yuǎn)角樁的2倍，在堆載荷載施加到1.4 m時，遠(yuǎn)角樁軸力快速增加至與近角樁一致水平，在最大處軸力大小約為3 247 kN。

圖6分別為近遠(yuǎn)角樁的縱向、橫向彎矩圖。對比角樁橫向、縱向彎矩可知，工況1路堤堆載對樁基的彎矩的影響主要產(chǎn)生在縱向彎矩方向，最大縱向彎矩出現(xiàn)在第4級堆載時遠(yuǎn)角樁，埋深2.0 m，約1 084.4 kN·m；最大橫向彎矩出現(xiàn)在第3級堆載時近角樁埋深2.0 m，約312.4 kN·m。

2.2.2 樁基位移

圖7為近遠(yuǎn)角樁身隨分級堆載縱向、橫向水平位移圖，數(shù)據(jù)顯示：樁身縱橫向位移與樁身受力情況基本保持一致，樁身主要水平位移發(fā)生在縱向方向上，最大橫向水平位移出現(xiàn)在第4級堆載時近角樁埋深23.9 m處，大小約為4.64 mm；樁頂最大縱向水平位移為近角樁第 3級堆載約16 mm；樁身全長最大縱向水平位移出現(xiàn)在第3級堆載時近角樁埋深20 m處，大小約為32 mm，橫向水平位移滿足變形控制條件，而縱向水平位移超出縱向水平控制條件，故在1.2 m高度臨近路堤堆載過程中應(yīng)對地基進(jìn)行加固處理。

圖8為樁基隨路基堆載的沉降曲線圖。根據(jù)圖示發(fā)現(xiàn)樁基遠(yuǎn)近角樁縱向沉降較為均勻，堆載初期近角樁沉降量略大于遠(yuǎn)角樁且每級加載沉降量大致相等。路堤堆載完成后，高速樁基最大沉降出現(xiàn)在第4級堆載時遠(yuǎn)角樁頂，約為57.9 mm。承臺水平位移控制為15 mm，承臺中心沉降為57.3 mm，轉(zhuǎn)角0.002°。若考慮最終工況使用100 a，承臺沉降為41 mm～49 mm，最大軸力為2 300 kN～2 700 kN。

若考慮堆載2個月后進(jìn)行樁基施工，承臺最大沉降為25 mm～30 mm，承臺水平位移為4 mm～6 mm，最大軸力為1 400 kN～1 700 kN，最大可能彎矩為437 kN·m ～521 kN·m。如考慮堆載最不利情況持續(xù)1個星期(路基斷面2)，則最大水平位移為3 mm～6 mm，對應(yīng)轉(zhuǎn)角為0.02°。

2.2.3 樁基承臺弱連接(無承臺約束)

該工況對應(yīng)為承臺與樁之間采用弱連接。工況1按無承臺，樁長為100 m，堆載1.4 m分級加載進(jìn)行有限元計算。將每級加載下計算得到的近角樁、中心樁及遠(yuǎn)角樁的軸力、側(cè)摩阻力、縱向彎矩、橫向彎矩、縱向水平位移、橫向水平位移以及沉降隨深度變化的曲線及最大值與工況1進(jìn)行分析對比見表2。

表2 各工況有限元計算及理論計算

最大軸力出現(xiàn)在加第4級堆載時的近角與遠(yuǎn)角樁處，埋深約43.8 m處，大小約3 083 kN；最大縱向彎矩出現(xiàn)在第3級堆載時近角樁，埋深10.0 m，約453.9 kN·m；最大橫向彎矩出現(xiàn)在第4級堆載時近角樁埋深83.6 m，約194.4 kN·m；最大橫向水平位移出現(xiàn)在第4級堆載時近角樁樁頂處，大小約為7.8 mm；最大縱向水平位移出現(xiàn)在第3級堆載時近角樁埋深14 m處，大小約為35.6 mm；最大沉降出現(xiàn)在第4級堆載時近角樁頂，約為56 mm。若考慮最終工況使用100 a，最大軸力為2 180 kN～2 600 kN。若考慮堆載2個月后進(jìn)行樁基施工，最大軸力1 300 kN～1 600 kN，最大可能彎矩為195 kN·m～236 kN·m，水平位移為4 mm～6 mm，沉降為25 mm～30 mm?？梢娤鄬β返潭演d1.4 m有承臺約束時，樁基彎矩大幅度減小，彎矩與內(nèi)力也有較小幅度減小，水平位移及沉降略有增大。

3 樁基混凝土齡期影響

樁基混凝土澆筑后28 d強(qiáng)度達(dá)到100%，在強(qiáng)度形成過程中，地基沉降對混凝土灌注樁的影響需要估算?；炷? d強(qiáng)度達(dá)到80%～90%時可認(rèn)為已經(jīng)可以起到承載作用，因此計算時對樁基混凝土澆筑至后7 d時地基的沉降進(jìn)行估算以估計該沉降對樁基的影響。

樁基施工時(t=60 d)土體固結(jié)度為0.191 2(或0.411 6)，樁基完工后(t=67 d)土體固結(jié)度為0.191 5(或0.411 8)，則7 d齡期內(nèi)增加的固結(jié)度為0.000 3，可知樁基7 d齡期內(nèi)，樁周土體固結(jié)產(chǎn)生的沉降工況1為0.02 mm(0.01 mm)，因此可以忽略樁基施工期間的固結(jié)沉降對樁基的影響。

4 結(jié)論

本文基于溫州市某市政工程開展路基堆載對高速橋梁基礎(chǔ)影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并將數(shù)值模擬計算結(jié)果與理論計算結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果顯示有限元計算結(jié)果可靠。現(xiàn)得出以下結(jié)論：

1)1.4 m路堤分級堆載過程中，負(fù)摩阻力分布在埋深0 m～40 m以內(nèi)。樁頂?shù)呢?fù)摩阻力最大約19 kPa，且隨著堆載高度提高，樁側(cè)摩阻力中性點向樁底移動。

2)模擬工況中縱向水平位移達(dá)32 mm超出了樁基變形控制指標(biāo)，故在施工工程中應(yīng)對地基進(jìn)行加固處理或錯開施工。

3)若不考慮變形控制，將樁基與承臺采用弱連接方式能有效降低樁基由于路基堆載引起的附加軸力與附加彎矩。

4)對于普遍區(qū)域，樁長100 m，堆載1.4 m，若不考慮承臺對樁基約束，附加最大承臺沉降為30 mm，水平位移為6 mm，軸力為1 600 kN，彎矩為236 kN·m。最優(yōu)化工況施工工況為：預(yù)先分級堆載，堆載2個月后進(jìn)行樁基施工。

5)短樁可減少附加內(nèi)力，但變形則大幅增加，對于橋梁基礎(chǔ)需要以變形控制出發(fā)，長樁較為有利。