高填土橋臺(tái)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

豐月華

(浙江公路水運(yùn)工程咨詢公司，浙江 杭州 310004)

高填土橋臺(tái)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

豐月華

(浙江公路水運(yùn)工程咨詢公司，浙江 杭州 310004)

橋臺(tái)后高填土在軟弱地層中十分常見，由于填土較高，隨時(shí)間發(fā)生的下沉、變形，導(dǎo)致整體強(qiáng)度減弱，從而影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。本文根據(jù)鮑田1號(hào)橋?qū)嶋H工程，采用plaxis有限元軟件對(duì)橋梁和地基結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，通過計(jì)算固結(jié)沉降、側(cè)向位移、超孔隙水壓力，分析高填土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。結(jié)果表明路堤填土固結(jié)一年后沉降趨于穩(wěn)定，樁基穩(wěn)定，塑料排水板工作性能良好。

高填土 固結(jié)沉降 側(cè)向位移 超孔隙水壓力 穩(wěn)定性

隨著路基填筑高度的迅速增加，土體對(duì)高架橋下部結(jié)構(gòu)物的作用躍居控制地位［1］。在軟弱地層中，常對(duì)橋臺(tái)背后進(jìn)行高填土作業(yè)，大量的高填土可能壓迫橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致地下土層移位、沉降，影響整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［2］。在橋梁運(yùn)營(yíng)過程中可能造成橋梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，影響橋梁的正常使用，對(duì)交通安全有極大的隱患。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)的研究，馬希田、徐龍等人對(duì)超高填土肋板式橋臺(tái)的樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析;賀維通過分析土臺(tái)、橋臺(tái)之間的相互關(guān)系，分析了高填土橋臺(tái)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;劉雁寧通過考慮側(cè)向位移對(duì)路堤固結(jié)沉降進(jìn)行了研究。

1 工程背景

1.1 工程概況

飛云江三橋北延伸線工程路線全長(zhǎng)8.617 km，路基寬度48.5 m，設(shè)計(jì)速度100 km/h。沿線密布河道，大部分河道寬度10～15 m，共設(shè)置23座橋梁，橋跨布置3×10 m，上部結(jié)構(gòu)為先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級(jí)。工程地質(zhì)情況以淤泥和黏土為主，淤泥層厚度約20～33.5 m。樁基設(shè)置成雙排樁，樁長(zhǎng)較大，采用臺(tái)后填土堆載預(yù)壓期內(nèi)同步施工橋梁樁基的方法。臺(tái)后填土堆載至路面標(biāo)高+預(yù)拋高55 cm后，預(yù)壓4個(gè)月，然后開始施工橋梁樁基，再進(jìn)行堆載預(yù)壓12個(gè)月。

本文綜合考慮23座橋梁的樁長(zhǎng)和臺(tái)后填土厚度，選取路堤填土高度最大的鮑田1號(hào)橋進(jìn)行分析，其0號(hào)臺(tái)后填土厚度達(dá)到3.288 m，地質(zhì)柱狀圖見圖1。將鮑田1號(hào)橋作為最不利工況，利用大型巖土工程有限元計(jì)算軟件Plaxis建立結(jié)構(gòu)有限元模型，進(jìn)行固結(jié)沉降、側(cè)向位移、超孔隙水壓力分析。

圖1 鮑田1號(hào)橋地質(zhì)柱狀圖(單位:m)

1.2 材料參數(shù)

路堤填土重度考慮了預(yù)拋高土體的重量。按照土工試驗(yàn)結(jié)果，滲透系數(shù)k采用太沙基一維滲流固結(jié)理論進(jìn)行計(jì)算

式中:a為壓縮系數(shù);Cv為固結(jié)系數(shù);γw為水重度;e為天然孔隙比［3-4］。

塑料排水板采用等效豎向滲透系數(shù)模擬

式中:kh，kv分別為水平、豎直滲透系數(shù);l為排水板長(zhǎng)度;D為單元體直徑［5］;μ為考慮了塑料排水板等效直徑、涂抹區(qū)直徑、排水能力等指標(biāo)的參數(shù)。本工程設(shè)置塑料排水板的排水區(qū)域豎向滲透系數(shù)提高67～100倍。

因采用二維計(jì)算方法，需要把鉆孔樁等效為板樁，方法為改變其彈性模量

式中:E為板樁彈性模量，Ep為鉆孔樁彈性模量，Es為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)各層土彈性模量加權(quán)值，u為各樁中心距離，d為樁徑。φ1 m鉆孔灌注樁混凝土彈性模量取5.36 GPa，φ1.2 m鉆孔灌注樁彈性模量取6.43 GPa，承臺(tái)、橋臺(tái)彈性模量取30 GPa，泊松比均為0.2。

2 計(jì)算模型

2.1 邊界條件

采用Plaxis 8.2進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，建立了鮑田1號(hào)橋的平面有限元模型。①位移邊界:底部約束UX，UY方向位移，左右兩邊約束UX方向位移。②排水邊界:頂?shù)撞繛榕潘吔?，左右兩邊為不排水邊界?/p>

2.2 初始條件和加載工況

取常水位2.64 m為計(jì)算水位，生成初始孔壓。考慮到本工程車流量較大，采用城 A車道荷載22.5 kN/m除以一個(gè)車道寬度3.75 m，得到交通車輛等效荷載6 kPa計(jì)算，加載工況見表1。

2.3 幾何模型

結(jié)構(gòu)有限元模型見圖2，采用15節(jié)點(diǎn)的三角形平面應(yīng)變單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，共有25 809個(gè)節(jié)點(diǎn)、2 963個(gè)單元。

表1 加載工況

圖2 有限元模型

3 結(jié)果分析

3.1 固結(jié)沉降

固結(jié)沉降見圖3。從圖3看出，預(yù)壓90 d，210 d，570 d和930 d臺(tái)后路堤填土最大固結(jié)沉降依次為0.36 m，0.57 m，0.79 m和0.89 m，河道土體隆起最大值為0.32 m，0.31 m，0.24 m和0.22 m。固結(jié)沉降最大處發(fā)生在塑料排水板變短區(qū)域，樁基施工后1年內(nèi)固結(jié)沉降趨于穩(wěn)定。

3.2 側(cè)向位移

側(cè)向位移見圖4。從圖4可知預(yù)壓60 d，180 d，570 d和930 d土體最大側(cè)向位移依次為0.27 m，0.30 m，0.29 m和0.33 m，側(cè)向位移最大處發(fā)生在河道邊坡區(qū)域。樁基施工后2年內(nèi)水平位移為11 mm。

圖3 路堤填土沉降—時(shí)間曲線

圖4 0號(hào)臺(tái)樁頂及樁頂土體側(cè)向位移—時(shí)間曲線

3.3 超孔隙水壓力

超孔隙水壓力變化見圖5。從圖5看出，預(yù)壓90，210，570和 930 d土體最大超孔隙水壓力依次為－72.5，－69.2，－63.3和 －67.3 kPa。超孔隙水壓力最大處發(fā)生在塑料排水板底部以下，并逐步擴(kuò)散到橋梁樁基之間區(qū)域。塑料排水板區(qū)域超孔隙水壓力在2年內(nèi)從 －66 kPa逐步消散至 －9 kPa，排水區(qū)域超孔隙水壓力并非立即消散，這與實(shí)際狀況是一致的，表明采用等效豎向滲透系數(shù)模擬塑料排水板有較好結(jié)果。

圖5 塑料排水板底部超孔隙水壓力時(shí)間曲線

4 結(jié)論

通過上述有限元分析結(jié)果，可得出以下結(jié)論:

1)臺(tái)后路堤填土在90，210，570和930 d最大固結(jié)沉降依次為0.36，0.57，0.79和0.89 m，路堤填土固結(jié)一年后沉降趨于穩(wěn)定。

2)土體在 90，210，570和 930 d的最大側(cè)向位移依次為0.27，0.30，0.29和0.33 m，樁基施工后2年內(nèi)樁頂水平位移為11 mm，并保持穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

3)超孔隙水壓力在90，210，570和930 d最大值依次為 －72.5，－69.2，－63.3和 －67.3 kPa，超孔隙水壓力最大處發(fā)生在塑料排水板底部以下，塑料排水板區(qū)域2年內(nèi)超孔隙水壓力從 －66 kPa逐步消散至－9 kPa，排水板工作性能良好。

［1］劉成宇．土力學(xué)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2002．

［2］郎杰．高填土橋臺(tái)的研究［D］．大連:大連理工大學(xué)，2000．

［3］袁中山．論高填路堤填土施工方法對(duì)飽合粘土地基沉降與固結(jié)的影響［J］．平頂山工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(11):50-51．

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［5］姜弘，沈水龍．塑料排水板處理的軟土地基的分析［J］．巖土力學(xué)，2004(增 2):437-440．

U443．21

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．09．06

1003-1995(2013)09-0018-03

2012-12-25;

2013-05-20

豐月華(1976— )，女，江西上饒人，高級(jí)工程師，碩士。

(責(zé)任審編 趙其文)