地面堆載對現有橋梁結構的影響分析

田忠青

(安徽省港航建設投資集團有限公司，安徽 合肥 230011)

地面堆載對現有橋梁結構的影響分析

田忠青

(安徽省港航建設投資集團有限公司，安徽 合肥 230011)

地面堆載對橋梁結構的影響，最直觀的反應是使橋墩發生水平位移。采用加拿大Geo-Slope公司的Geo-Studio軟件的SIGMA/W模塊對現有橋梁進行計算分析，通過數值模擬計算堆載作用下橋墩的水平位移，以驗證其對橋梁結構的影響。并根據計算結果，得出堆載距離現有橋梁的最小安全距離。

地面堆載；現有橋梁；結構分析；堆載距離

近年來,因人為因素造成既有橋梁基礎周邊土體擾動,從而影響橋梁結構安全的案例普遍存在。對橋梁而言,在橋墩附近違章堆載,會造成橋墩發生傾斜,進而傳遞至樁基礎和橋梁上部結構,從而影響橋梁結構安全[1-2]。

既有橋梁樁基周圍原則上不允許堆放荷載或修建筑物或地面結構物,因為堆載將大幅增加地基附加應力,從而增加地基固結沉降量,破壞樁基地基的固結平衡狀態,改變樁基的受力模式[3-4]。

本文以某橋梁為背景,通過數值模擬計算堆載作用下橋墩的水平位移,以驗證其對橋梁結構的影響。并根據計算結果,得出堆載距離現有橋梁的最小安全距離,以期為同類工程提供參考。

1 工程背景

某橋梁上部結構8×25 mT梁+25.1 mT梁+24.9 mT梁+2×22.5 mT梁+18.35 mT梁+82 m下承式系桿拱+24.62 mT梁+11×25 mT梁,設計橋梁全長702.53 m,寬10.0 m。其主要病害為受第20跨外側砂堆影響(圖1、圖2),第六聯(第19～22跨)

圖1 第20跨外側砂堆

圖2 上部T梁橫向偏位

T梁整體有較明顯扭轉,且因梁偏移,對橋梁支座、伸縮縫、擋塊和蓋梁等構件均有不同程度的損壞。砂堆面積約1 000 m2,堆高約6.7 m。

2 原理及參數選取

2.1 計算原理

數值計算采用加拿大Geo-Slope公司的Geo-Studio軟件的SIGMA/W模塊。對于一個給定的時間增量,SIGMA/W的有限元方程表示為

(1)

其中,[B]表示應變-位移矩陣;[C]表示本構關系矩陣;{a}表示節點增量的x、y位移列向量;〈N〉表示插值函數的行向量;A表示沿單元邊界的面積;v表示單元體積;b表示單位體力強度;p表示增加的表面壓強;{Fn}表示集中節點增加荷載。

2.2 地層信息

根據勘察,計算斷面各地層信息如圖3所示。樁基位置的土層自上而下是粉質黏土、淤泥質粉質黏土、淤泥質粉質黏土與粉砂互層、粉質黏土和卵石。

圖3 土層分布

2.3 計算參數的選取

采用軟件建立模型,計算初始應力場;然后加載沙堆。底部為固支約束,兩側為水平約束。橋梁上部荷載按恒載計。

土體參數采用摩爾庫倫理想彈塑性本構模型,混凝土樁采用線彈性模型。土層物理力學性質參數見表1,地質資料有提供計算參數的,計算參數按照地質資料,或根據計算實際在地質資料基礎上依據經驗公式換算;其余參數采用規范推薦值或經驗值。土體強度參數采用固結不排水指標。

表1 計算參數取值

3 影響分析

從沙堆大小、樁徑、沙堆位置遠近等方面考慮,考慮不同的工況,研究不同因素的影響程度及敏感性,分析地面堆載對橋梁樁基的影響[5-7]。

各分析工況計算模型(圖4、圖5)如下:

圖4 各工況位移圖

圖5 各工況位移對比圖

3.1 工況一

樁的間距為5 m,樁徑1.5 m;沙堆高度6.7 m,坡度1∶1,沙堆底長30 m。

計算結果表明,最大水平位移81 mm,發生在地面以下、樁的上端,水平位移自上而下逐漸減小,樁底水平位移為2 mm;最大豎向位移8 mm,豎向位移變化較小。

3.2 工況二

樁的間距為6 m,樁徑1.2 m;沙堆高度6.7 m,坡度1∶1,沙堆底長30 m。計算結果表明,最大水平位移91 mm,發生在地面以下、樁的上端,水平位移自上而下逐漸減小;最大豎向位移8 mm,豎向位移變化較小。

3.3 工況三

樁徑為1.5 m,樁間距仍為5 m,沙堆對稱加載。

計算結果表明,最大水平位移2 mm,左右兩個方向的水平位移方向相反;地面以下最大豎向位移24 mm,豎向位移變化較大。

說明沙堆對稱堆載時,樁基產生的水平位移非常小,幾乎不產生水平位移。

3.4 工況四

樁徑為1.5 m,樁間距仍為5 m,將沙堆外移30 m。

計算結果表明,最大水平位移55 mm,發生在橋梁頂部,地面以下部分的最大位移發生在樁頂,為49 mm;地面以下最大豎向位移4 mm,豎向位移變化較小。

說明沙堆外移30 m時,樁基產生的位移有所減小。

3.5 工況五

樁徑不變,仍為1.5 m,樁間距仍為5 m,將沙堆外移100 m。

計算結果表明,最大水平位移6 mm,發生地面以下、樁頂位置;最大豎向位移4 mm,豎向位移變化較小。

說明沙堆外移100 m時,樁基產生的位移大幅減小。

3.6 工況六

樁徑不變,仍為1.5 m,樁間距仍為5 m,將沙堆外移200 m。

計算結果表明,最大水平位移1.2 mm,發生地面以下、樁頂位置,水平位移很小;最大豎向位移4 mm,豎向位移變化較小。

說明沙堆外移200 m時,樁基產生的水平位移大幅減小,水平位移基本可以忽略。

4 結論與建議

4.1 結 論

(1) 在堆載作用下,土體因為樁土的相對沉降差而在樁身產生負摩阻力,而且由于材料的泊松比和土體剪切應力的存在,土體在沉降的過程中必定會產生水平向的變形和位移,進而對鄰近樁基施加水平推力[8]。

(2) 經過數值模擬,沙堆的不對稱堆載對橋梁樁基產生了水平位移,且水平位移與樁徑有關,樁徑越小,水平位移越大。當樁徑為1.5 m且沙堆靠近橋梁時,產生的樁基最大水平位移為81 mm;當沙堆位置不變,樁徑為1.2 m時,產生的橋梁最大水平位移為91 mm。

(3) 沙堆的不對稱堆載對橋梁樁基產生的水平位移還與沙堆距離橋梁的遠近有關,沙堆離的越遠,產生的樁基水平位移越小[9-10];當沙堆距橋梁200 m時,產生的樁基水平距離接近于0,僅為1.2 mm。

(4) 沙堆的堆載對橋梁樁基產生的水平位移沿著樁基自上而下逐漸減小。

(5) 根據計算結果,沙堆的堆載對橋梁樁基產生的豎向位移較小,除對稱堆載的工況三外,一般在4～10 mm之間。

4.2 建 議

(1) 立即清理黃砂堆,對橋梁進行相關變形監測,并觀測橋梁橫向位移恢復情況。根據《公路法》規定及數值計算結果,砂堆距離橋梁的最小安全距離為 200 m。

(2) 待橋梁橫向位移穩定后,對橋梁目前存在的病害進行必要處理。

[1] 黃 清.地面堆載對既有橋梁結構的影響分析[J].橋梁建設，2014，44(5)：39～44.

[2] 閆澍旺，劉子初.堆載對鄰近橋梁結構影響的有限元分析[J].勘察科學技術，2013(3)：1～4.

[3] 馮忠居，張永清，李 晉.堆載引起橋梁墩臺與基礎的偏移及防治技術研究[J].中國公路學報，2004(7)：74～77.

[4] 張禮財.堆載作用下既有橋梁群樁基礎承載特性分析[D].成都：西南交通大學，2015.

[5] 門小雄.堆載對橋梁樁基承載力特性的影響分析[D].西安：長安大學，2007.

[6] 劉志明,陳 強,范 俊.堆載法在橋梁基礎糾偏過程中的應用[J].公路，2012(11)：35～38.

[7] 周桂梅.堆載滑動對陡坡橋墩與樁基礎力學特性的影響分析及其工程技術研究[D].西安：長安大學，2015.

[8] 劉 陽.堆載作用下黃土沖溝區橋梁樁基礎豎軸向承載特性研究[D].西安：長安大學，2014.

[9] 李志偉.軟土地基鄰近堆載對橋梁樁基偏位的影響研究[J].巖土力學，2013(12)：3594～3600.

[10] 吳 瓊，陳錦劍.樁側堆載作用下被動樁受力性狀研究[J].地下空間與工程學報，2010(6)：62～65.

2016-07-06

田忠青(1965-)，男，安徽霍邱人，安徽省港航建設投資集團有限公司高級工程師．

U442.59

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1673-5781(2016)04-0480-03