大面積堆載預(yù)壓對(duì)高速路橋基的影響

涂芬芬 周洪濤 田志國(guó)

(1.深圳市勘察研究院有限公司，廣東深圳 518026;2.深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東深圳 518031)

外加堆載不僅會(huì)影響淤泥表層，而且會(huì)影響深層淤泥的變形，尤其是大面積堆載，可以引起淤泥土明顯的深層滑移，這在不同類型的淤泥軟土中表現(xiàn)的有所不同:在第一類淤泥軟土中(原狀淤泥或淤泥質(zhì)軟土)，堆載不僅會(huì)引起周邊較近距離內(nèi)土體的隆起，而且還可以引起淤泥土明顯的深層滑移，這在大面積堆載中表現(xiàn)的尤為明顯。第二類淤泥軟土(有一層薄的硬殼層)首先應(yīng)考慮其自身的穩(wěn)定性，由于此類土體新近且已堆加荷載，如果進(jìn)一步施加外力，有可能引起土層的剪切破壞。對(duì)于第三類淤泥軟土(堆載時(shí)間較長(zhǎng)，硬殼層較厚)，由于物理力學(xué)性質(zhì)有所提高，其變形情況要較前兩類小，但如果堆載過大同樣也會(huì)出現(xiàn)周邊土體隆起和深層滑移的問題。對(duì)于堆載附近的建、構(gòu)筑物基礎(chǔ)，應(yīng)注意堆載對(duì)既有建(構(gòu))筑物側(cè)向擠壓的影響。其影響范圍之大，且由此產(chǎn)生的工程樁或橋基的水平偏移破壞亦不乏事故實(shí)例。

1 工程概況

本工程位于深圳市前海填海區(qū)，沿江高速橋基已施工完成，現(xiàn)在正在施工道路路面。沿江高速北側(cè)為已經(jīng)軟基處理完成的中集地塊，南側(cè)為待建的F地塊，西側(cè)為堆載完成的C地塊，東側(cè)為污水處理廠。沿江高速段橋基距離F地塊紅線約50 m。由于F地塊軟基處理采用堆載預(yù)壓方式，且正要施工，為了避免F地塊大面積的堆載對(duì)沿江高速已建橋基造成影響，分析和研究大面積堆載對(duì)橋基造成的位移，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)堆載施工。

根據(jù)F地塊的軟基處理設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分析距離研究高速橋基50 m以外的F地塊逐層加載對(duì)橋基的影響。

2 計(jì)算模型

1)土層的分布情況。計(jì)算所用土層劃分為四層，人工填土層、淤泥質(zhì)土層(淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層)、砂質(zhì)粘性土層和全風(fēng)化花崗巖層。人工填土為素填土:雜色，由粘性土、砂礫及花崗巖質(zhì)塊石、碎石混雜組成，局部碎石及塊石含量較高，稍密～中密。人工填土層地表變化較為復(fù)雜，地表標(biāo)高由圖1可知由左及右依次為5.5 m，7.0 m和3.5 m，各個(gè)不同地表標(biāo)高間由1∶2斜坡過渡。填土層厚度中部最大，約為8.5 m，最薄處為5.0 m。場(chǎng)地堆載施加于右側(cè)3.5 m地表及斜坡過渡處，堆土厚度8 m，分5次分別堆載施加，在計(jì)算過程中將其轉(zhuǎn)換為與之相對(duì)應(yīng)的均布豎向荷載加以計(jì)算。人工填土層其下為淤泥質(zhì)土層，淤泥質(zhì)土層由淤泥經(jīng)上部人工填土的長(zhǎng)期壓縮固結(jié)形成，土層厚度為10 m，其具體分布按場(chǎng)地實(shí)際條件取值。淤泥質(zhì)土層與基巖間為粘土、粉質(zhì)粘土、礫砂和砂質(zhì)粘性土，在取值時(shí)，由于砂質(zhì)粘性土物理普力學(xué)參數(shù)較低，故以此層參數(shù)為主進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算層厚為20 m?；鶐r層由全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層組成，層厚10 m，在計(jì)算過程中取全風(fēng)化花崗巖層參數(shù)進(jìn)行分析。

圖1 場(chǎng)地地質(zhì)條件及加載圖

2)橋基模型。橋墩基礎(chǔ)為雙排樁基，樁徑1.8 m，縱向間距為30 m，將其簡(jiǎn)化為沿橫向10 m、縱向5 m均勻分布的平面單元，用以約束土體的水平和豎向位移。其物理力學(xué)參數(shù)的取值系數(shù)為樁基橫截面積與所對(duì)應(yīng)土體計(jì)算面積的比值。在計(jì)算過程中，土體單元采用分段彈塑性應(yīng)力—應(yīng)變模型，橋墩約束單元采用線彈性單元。

圖2 土體彈塑性本構(gòu)模型

3)土體模型。圖2中a)，b)，c)，d)分別為人工填土、淤泥質(zhì)土、砂質(zhì)粘性土和全風(fēng)化花崗巖土體的彈塑性本構(gòu)模型。土體應(yīng)力應(yīng)變曲線由四段折線構(gòu)成:應(yīng)力為0 MPa～0.1 MPa時(shí)，應(yīng)變?yōu)?～0.02;應(yīng)力為0.1 MPa～0.2 MPa時(shí)，應(yīng)變?yōu)?.02～0.05;應(yīng)力大于0.2 MPa后的應(yīng)變?yōu)?.05～0.4與大于0.4的強(qiáng)化彈塑性和理想彈塑性階段。本計(jì)算過程中沒有考慮F地塊軟基處理施工過程中淤泥的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)的變化，如淤泥彈性模量指標(biāo)隨著堆載過程的增長(zhǎng)等。

4)計(jì)算的模型。圖3為實(shí)際計(jì)算模型的單元網(wǎng)絡(luò)劃分和具體剖面尺寸，其中模型的邊界約束情況為:左側(cè)與右側(cè)邊界節(jié)點(diǎn)為水平約束，下側(cè)節(jié)點(diǎn)為X向與Y向的雙向固定約束。兩側(cè)的水平約束為考慮遠(yuǎn)場(chǎng)邊界的邊界位移不變，對(duì)于豎向變形，右側(cè)是大型加載區(qū)，其水平面及斜坡過渡段均有大面積加載，存在一定豎向位移，故不予施加豎向約束。荷載施加按8 m厚場(chǎng)地堆載施加，分為5次等值加載，并考慮各分層土的彈塑性變形。計(jì)算模型底部為雙向固定加載，模擬基巖對(duì)模型的約束作用。

圖3 土體單元計(jì)算模型（單位：m）

3 各工況計(jì)算分析結(jié)果

第5荷載步位移計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 第5荷載步位移計(jì)算結(jié)果

4 計(jì)算結(jié)果列表

樁基單元不同深度各測(cè)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果:側(cè)線為樁基單元體的右側(cè)邊線，即x=10 m處豎向側(cè)線，各測(cè)點(diǎn)豎向位置及計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 各測(cè)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果(最終荷載步)

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)分工況計(jì)算分析，在分級(jí)加載的過程中，計(jì)算模型的大變形區(qū)域主要集中于分級(jí)荷載施加區(qū)域的右側(cè)。對(duì)于土體水平向位移其正向(向右為正)最大值主要集中于以右側(cè)放坡段為中心的土層表面，隨著測(cè)點(diǎn)距坡段距離的增加而減小;土體水平向位移其負(fù)向最大值主要集中于右側(cè)放坡段左下方，分布的深度區(qū)域?yàn)橛倌噘|(zhì)土層和砂質(zhì)粘性土層的上部。隨著測(cè)點(diǎn)距右側(cè)坡面和其下部土體距離的增加，豎向和水平位移均明顯減小，當(dāng)變形傳至樁基單元處時(shí)，位移已不明顯。由各個(gè)荷載步的堆載對(duì)樁基單元的影響可知，水平位移明顯大于豎向位移，且兩者均可滿足位移變形的要求，水平位移幅值最大約為1 mm。圖5為樁基單元不同深度各測(cè)點(diǎn)的位移隨堆載增加的變形曲線。

圖5 各測(cè)點(diǎn)位移圖

由圖5可知，樁基單元體的右側(cè)豎向邊緣不同深度測(cè)點(diǎn)的位移在豎向和水平向的位移變化趨勢(shì)有所差別，但總體幅值均小于1 mm，能夠滿足樁基變形要求。樁基水平位移在堆載施加的前中期(1步～3步堆載)，變形呈線性變化，且地表測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)正向位移，隨著荷載步的增加，樁基單元各測(cè)點(diǎn)的水平位移明顯增加，而且地表測(cè)點(diǎn)的水平位移也由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值，且絕對(duì)值變化明顯。豎向位移變化與水平位移不同，峰值出現(xiàn)在第3～第4加載步，但總體比水平位移小得多。

6 意義

為了防止由于在淤泥軟土上的加載或卸載引起的基礎(chǔ)及橋基變形及破壞現(xiàn)象，杜絕關(guān)乎國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈的交通、城市中心區(qū)以及重要工業(yè)建筑的安全隱患，樹立黨和國(guó)家在廣大人民群眾中的公信力，節(jié)省不必要的開支，合理運(yùn)用國(guó)家稅收，構(gòu)建和諧社會(huì)。本文在研究成果成熟并經(jīng)檢驗(yàn)完善后，在條件允許下，可為后續(xù)類似工程提供依據(jù)及參考。

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