林 剛

趙 毅

倪 鵬

浙江省地礦勘察院有限公司，浙江 杭州 310007

為促進各地區(qū)的基礎產(chǎn)業(yè)及經(jīng)濟的聯(lián)合發(fā)展，我國高速公路工程的建設規(guī)模不斷擴大［1］。由于高速公路施工過程中會存在大量的挖填方工程，通常上述挖方工程產(chǎn)生的土方往往就近堆置，而這一舉措常會使高速公路附近土體應力重新分布，且容易引起樁身周圍產(chǎn)生負摩擦阻力，造成樁身軸力增加并產(chǎn)生不均勻沉降［2］，最終可能會導致橋墩、承臺甚至上部結構的偏移和沉降，影響高速公路的安全施工及運營。目前，國內(nèi)學者就大面積堆載對其附近橋梁墩柱結構的影響進行了一系列的研究。黃清［3］采用FLAC3D軟件模擬了堆土對被動樁的空間變形和受力狀態(tài)的影響，結果表明線路兩側(cè)堆載會使橋墩結構產(chǎn)生水平位移。顧津申［4］采用ABAQUS軟件分析了橋梁附近土方堆積對橋梁結構墩柱沉降變形的影響。邵曼［5］采用數(shù)值分析方法分析了軟土地區(qū)臨近高架橋梁的堆土對橋墩及樁基礎的影響。聶如松等［6］分析了高速線路附近土方堆積對橋墩樁基礎的影響。王曉佳等［7］采用Midas GTS NX 軟件分析了堆載對橋梁樁基沉降及側(cè)移的影響。田忠青［8］采用Geo-Studio 軟件研究了既有橋梁在堆載作用下橋墩的水平位移的變化規(guī)律。馮忠居等［9］監(jiān)測線路附近堆載對橋梁墩臺與樁基的變形情況，并提出了防治建議。

以上研究表明，大面積土體堆載會對臨近建筑物或構筑物的樁基產(chǎn)生較大的影響，但目前對淺層硬土、中層或深層軟土地區(qū)高速公路嵌巖樁臨近堆土荷載作用下的樁身穩(wěn)定性尚未有較深入的研究。本文根據(jù)我國東部沿海軟土地區(qū)實際工程案例，采用Plaxis 3D 軟件進行彈塑性有限單元法數(shù)值分析，對高速公路在臨近堆積土方作用下的影響進行分析研究。

1 工程概況

1.1 工程背景

該工程位于浙江省杭州市內(nèi)快速路某高架橋梁段落，由于建設工程綠化需要，在該高架線路南、北兩側(cè)進行了人工堆土，沿橋縱向分布，北側(cè)設計最高堆載為11.6 m，堆土邊緣距機場路高架橋中心線約30 m；南側(cè)設計最高堆載為10.2 m，堆土邊緣距該高架橋中心線約為25 m。該高架橋兩側(cè)堆土示意圖見圖1、圖2。

圖2 南側(cè)堆土示意(單位:m)

工程內(nèi)地貌類型單一，為沖海積平原，地勢平坦，較開闊，平原區(qū)地面高程一般在5.1～7.1 m?，F(xiàn)狀工作區(qū)除道路外，原村莊均已拆遷，農(nóng)田多已廢棄。根據(jù)收集的資料，工作區(qū)地表為層厚不等的填土：淺部地層為沖海積相、沖積相，灰色、灰黃色粉土、粉砂，稍密—中密，厚9.2～18.3 m；中部為海積流塑淤泥質(zhì)土，厚度4.8～16.3 m，具層理，夾薄層粉土、粉細砂；其下為灰綠色、灰黃色沖湖積相，可塑—硬塑粉質(zhì)黏土，厚度1.8～9.6 m；中下部為沖積粉細砂、圓礫、卵石等，灰色、灰黃色，中密—密實狀，厚度較大，厚度約19.5～35.4 m；底部為白堊系砂礫巖，局部差異風化明顯，中風化層夾強風化碎塊狀，偶夾粉砂巖。樁基持力層為強風化砂礫巖，淺部土層多為粉土、黏土、淤泥質(zhì)黏土等土層，見表1。工程所在區(qū)域河流水系發(fā)達，地下水位較高，在進行有限元計算時按0 m水位考慮。

表1 土層分層參數(shù)

1.2 高架橋梁設計情況

該高架橋梁上部結構為預應力混凝土箱梁結構，下部基礎為群樁基礎，連接結構為墩柱（圖1），樁基直徑為1.5 m，樁長50～70 m，樁間距3.75 m，承臺長、寬、高分別為10、10、3 m，樁 身 縱 筋 型 號 為HRB335，樁頂以下20 m 為28B25，樁頂以下20～35 m 為14B25，螺旋箍筋型號為HPB300，樁頂以下5 m為加密區(qū)Ф10@100 mm，樁頂以下5～35 m為Ф10@200 mm。

圖1 北側(cè)堆土示意(單位:m)

2 計算模型

2.1 有限元模型建立

根據(jù)設計圖紙，將該高架橋梁箱梁以下部件（包括橋墩、承臺、群樁基礎、地基和堆土等）進行三維有限元模型建模，計算模型見圖3。地基和土堆采用單元離散，承臺為C30鋼筋混凝土，采用10 節(jié)點四面體單元離散，線彈性本構，10 節(jié)點四面體單元數(shù)量共35881 個。橋墩為C40鋼筋混凝土，采用3節(jié)點三角形平面板單元離散，單元數(shù)量共42個，線彈性本構?；鶚稙镃30 鋼筋混凝土，采用Embedded 樁單元模擬，該單元類型自帶樁土界面功能，可設置樁側(cè)極限側(cè)摩阻力和極限端阻力，適用于樁土相互作用模擬，單元數(shù)量共162 個。模型中各部件的計算參數(shù)見表2。其中，為消除模型邊界效應的影響，地基模型深度方向由樁基底部向下延伸55 m，地基模型沿高架橋線路方向由橋墩承臺向外延85 m，地基模型垂直于高架橋線路方向，北側(cè)由堆土寬度外邊緣向外延25 m，南側(cè)由堆土寬度外邊緣向外延40 m。選取其中一個承臺進行計算，為簡化計算，將橋面箱梁自重、橋面活荷載、車輛、車道荷載以及制動力簡化為一個豎向力和一個水平力施加于橋墩之上。

圖3 三維有限元分析模型

表2 模型中各部件計算參數(shù)

2.2 本構模型

土體本構模型采用小應變土體硬化高級本構模型（HSS 模型）。該模型包括3 個剛度參數(shù)：標準三軸排水試驗割線剛度側(cè)限壓縮試驗切線剛度、工程應變范圍內(nèi)卸載/重加載剛度；3 個強度參數(shù)：有效粘聚力c′ref、有效摩擦角φ′、剪脹角ψ；兩個小應變參數(shù)：小應變參考剪切模量時的剪切應變γ0.7；剛度的應力相關冪系數(shù)m、靜止側(cè)壓力系數(shù)K0、基準壓Pref、泊松比ν′ur以及破壞比Rf。表3 為由地勘報告和經(jīng)驗關系確定的各代表性截面所涉及土層的HSS本構模型參數(shù)。

表3 不同土層HSS本構模型參數(shù)

3 計算結果分析

3.1 橋梁角樁變形及內(nèi)力分析

在上述模型中，設置4個分析步，生成土體的初始應力場；激活橋墩、承臺、群樁基礎以及墩頂荷載；激活兩側(cè)堆土。根據(jù)Plaxis 三維有限元軟件計算分析，可分別運算獲得各荷載分析步的變形和內(nèi)力結果。根據(jù)數(shù)值計算模擬結果可見，樁頂幾乎保持水平，樁身整體發(fā)生變形，彎矩最大點與位移最大點幾乎重合，均在軟弱土層區(qū)域，最大值分別為382.7 kN·m 和3.3 mm，樁頂軸力與剪力最大，分別為725.0 kN和125.3 kN，淤泥質(zhì)黏土層與較硬的粉土層交界處有反彎點，樁身入巖部分，軸力驟減。角樁變形以及內(nèi)力圖見圖4，并將結果匯總于表4，表中x方向為沿高架橋方向，y方向為垂直高架橋方向。

表4 有限元計算結果統(tǒng)計

圖4 角樁位移內(nèi)力

3.2 堆土滑動穩(wěn)定性分析

在上述塑性分析步的基礎上進行強度折減分析，從而獲得南北兩側(cè)堆土影響下的地基滑移場和對應的穩(wěn)定性系數(shù)?；瑒悠茐拿嬖茍D見圖5，由圖可知，堆土滑動面基本位于土堆坡角，未見切穿群樁基礎及連通南北側(cè)地基的深層滑動面。截面滑動穩(wěn)定性系數(shù)為2.051，大于規(guī)范中一級永久邊坡一般工況所要求的滑動穩(wěn)定性系數(shù)1.35。

圖5 土堆滑動破壞面云圖

4 橋梁樁基驗算

為驗算堆土引起樁基在附加內(nèi)力作用下的樁基豎向承載力、樁基正截面抗壓承載力和樁基斜截面抗剪承載力，本節(jié)以第4 節(jié)有限元結果為基礎，參考《公路橋涵設計通用規(guī)范（JTG D60—2018）》《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范（JTG 3363—2019）》《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范（JTG 3362—2018）》《混凝土結構設計規(guī)范（GB 50010—2010）》，分析典型斷面橋梁樁基的承載能力，并驗算樁基最大裂縫寬度。

4.1 橋梁樁基承載力驗算

由于線路附近堆土可能引起樁周土沉降大于樁基沉降，引起樁側(cè)負摩阻力，故在進行樁基豎向承載力驗算時，考慮了樁側(cè)負摩阻力的影響。由于堆土在水平向?qū)渡懋a(chǎn)生附加作用，還應驗算樁身正截面抗壓承載力、斜截面抗剪承載力和裂縫寬度是否滿足規(guī)范要求，正截面抗壓承載力和裂縫驗算選取在樁身彎矩最大處，斜截面抗剪承載力驗算選取在樁身最大剪力處。

因為角樁為應力疊加區(qū)域，軸力、彎矩、剪力以及位移均比其他位置的樁大，所以選取角樁進行單樁豎向承載力驗算，樁基參數(shù)見表5，側(cè)阻計算見表6。樁基持力層為強風化砂礫巖，中性點深度比ln/l0為1，考慮負摩阻力后樁基豎向承載力下降11.7%。堆土對單樁承載力影響計算見表7。

表5 樁基參數(shù)

表6 樁側(cè)阻標準值計算

表7 堆土對單樁承載力影響

4.2 橋梁樁身裂縫寬度驗算

由有限元計算結果可得：軸力N、剪力V和彎矩M沿樁身分布，據(jù)此開展鋼筋混凝土圓形抗壓構件正截面抗壓承載力和裂縫寬度驗算。同樣選取角樁進行驗算，驗算位置選在樁身彎矩最大處?？箟簶嫾孛婵箟撼休d力和裂縫寬度驗算依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范（JTG 3362—2018）》5.3.8、5.3.9 開展。樁身最大剪力V為129 kN；樁身最大彎矩M為517 kN·m。各工況組合內(nèi)力見表8，正截面抗壓承載力驗算結果見表9，裂縫寬度驗算結果見表10。

表8 驗算截面基本組合內(nèi)力

表9 正截面抗壓承載力驗算結果

表10 裂縫寬度驗算結果

5 結語

針對杭州市某高架橋及線路兩旁土方堆積為背景，建立三維有限元分析模型，模擬分析了其南北兩側(cè)堆土引起的橋樁變形和內(nèi)力變化，并分析獲得了土體滑動面形態(tài)和滑動穩(wěn)定性系數(shù)。同時通過評價堆土作用下樁基豎向承載力、正截面抗壓承載力、斜截面抗剪承載力以及樁身裂縫寬度，分析了橋梁樁基的承載性能，得到以下結論：

1）高架橋在臨近堆載作用下，樁基將產(chǎn)生側(cè)向變形，水平位移為主導位移，樁身將產(chǎn)生S 型的位移曲線，在軟土和硬土的交界處產(chǎn)生反彎點。

2）中、深層軟土層地區(qū)，臨近堆土荷載引起的樁身水平位移最大處在軟土層附近，樁頂和入巖部分幾乎沒有位移，樁身彎矩不足以引起破壞性裂縫。應該以變形限制作為控制條件。

3）高架橋臨近堆載會降低樁基承載力的安全儲備，在高架橋附近進行長期堆載時須嚴格控制堆土的高度和與樁基的距離。

目前監(jiān)測點僅限于高架橋橋墩和土堆區(qū)域，建議增加橋樁裂縫和箱梁接縫監(jiān)測及橋墩兩側(cè)的深層土體位移監(jiān)測，以便更清楚地了解線路基礎和結構的受力變形發(fā)展情況；建議做好堆土場地內(nèi)外的排水系統(tǒng)，保證排水順暢；高架橋線路兩旁堆土應嚴格按照堆土場區(qū)設計圖紙中的標高和坡度實施，并及早覆綠以保證坡體穩(wěn)定。