填土堆載高度對既有橋梁樁基變形的影響

■孫茂強

(昌吉公路管理局木壘分局，昌吉 831900)

0 引言

近年來，隨著國內基礎設施系統建設的不斷推進，各類工程建設日趨發展。在建設的過程中，大量的挖方工程產生的棄土如果堆積不當，可能會引起崩塌、坡面 沖刷、泥石流、滑坡等地質災害，尤其當棄方體臨近構筑物等時，如果出現諸如滑坡等地質災害，可能會給其帶來致命的災難[1-3]。

近年來，有關橋下棄方體對橋梁樁基安全產生的影響時有發生。高文軍等人[2]通過調查發現特大暴雨侵襲杭州到瑞麗國家高速公路貴州境內大興至思南東段大橋后，導致橋墩變形嚴重并出現多條縱橫交錯的裂縫，其中裂縫最寬可達3mm，裂縫深度整體大于 60mm，部分橋墩的偏位超過20mm，也使得該橋梁成為危橋，造成大量的經濟財產損失。再者，麻土華等人[3]報導了重慶市開縣至云陽高速公路某大橋橋頭堆積有大量棄土堆，導致3號橋墩發生嚴重錯位變形。此外，鄧會元[5]報導了某高山陡坡地段橋下棄方造成橋梁墩柱傾斜和下部樁基開裂損毀的工程事故；賈喜翠[6]報導了廈門至成都高速公路——湖南郴州至寧遠段的某橋梁墩柱受棄渣的不均衡水平土壓力作用，樁基和立柱體系因超出其抵抗水平外力值而產生側向位移，導致橋墩及上部蓋梁等偏位產生安全事故。近年來，國內許多學者也進行了相關研究，取得不錯的研究成果[7-10]。然而，有關棄方體對鄰近橋梁樁基的安全問題仍需進一步的研究，本文即基于此開展相關研究。

1 工程背景

為了分析堆載高度對鄰近既有橋梁安全性影響，如圖1所示，根據現有的地質調查結果顯示，橋梁樁基穿過區域土層共分為3層，從上至下依次為軟土、粉質黏土以及中風化碎石塊層，橋梁樁基總高度47m，其中在地面以上部分20m，在地面以下部分為27m。兩根并列樁基距離大小為10m，堆填土總高度為12m，共分為4次堆載，每次堆載3m，堆載土體中心距離左側樁基12m。

圖1 計算模型圖

2 模型建立

本文主要以GeoStudio有限元軟件作為計算手段，對不同堆載高度土體對鄰近樁基的影響進行分析。考慮到模型的尺寸，建模時取土層厚度為30m，并以模型左邊界地表處為原點，水平方向取土體寬度值為100m。同時，對模型的下邊界和左右邊界進行位移約束。模型中填土為黏土，共12m，分4次進行加載，分級加載高度和時間分別為3m和5天，文中假定堆載體的坡度為60°。

在本構模型賦值方面，采用修正的劍橋模型，土體所采用的參數如表1所示，分別給出三個土層以及上部堆載土的密度、粘聚力、摩擦角、彈性模量以及泊松比等參量。對于混凝土橋梁樁身，實際模擬采用與實際相近的各向異性的線彈性模型。混凝土的彈模大小取18.5GPa，鋼筋的彈模取210GPa。

表1 土體物理力學指標

圖2 數值模型圖

3 數值結果分析

鄰近堆載對于橋梁樁基穩定性具有重要的影響，本文選取堆載寬度四級分別為3m、6m、9m和12m，主要分析在不同高度堆載土的作用下并排兩根橋梁樁基的水平和豎向位移，具體分析如下。

3.1 堆載高度不同時樁身豎向位移分析

由于文中的左側和右側樁基上部相連且二者與樁基的距離不同，因此，二者受堆載的影響程度會存在不同，本節主要對不同堆載高度下左右樁的沿樁身不同深度處豎向位移進行提取分析。如圖3所示，為左側樁在不同堆載高度下的樁身豎向位移圖，規定豎向位移向下為正，反之為負。由圖可知，對于堆載為3m時，沿樁身的豎向位移基本相同，其值基本在-0.07～-0.16mm范圍內，隨著堆載高度的增加，可以看出樁基的豎向位移在逐漸變化。對于地表以上部分，樁基豎向位移沿樁身基本一致，堆載為3m、6m、9m和 12m對應的位移大致分別為-0.12mm、0.03mm、0.20mm和0.29mm。然而，在地表以下，樁基位移則表現為不同的變化規律，可以看到四級堆載高度下，地表以下樁基豎向位移值均為負，四級不同堆載高度下對應的樁基豎向最大位移值分別為-0.16mm、-0.27mm、-0.34mm和-0.28mm，說明隨著堆載高度的增加，地表以下樁基豎向位移隨堆載高度增加表現出先增大后減小，且地表以下部分位移最大值發生深度隨堆載高度增加而增大。綜上可知，堆載對樁基整體影響較大，且以地表為分界線，上下兩部分樁基位移方向表現不同。

圖3 左側樁隨深度的樁身豎向位移

如圖4所示，為右側樁在不同堆載高度下的樁身豎向位移圖，規定正方向同上。由圖可知，對于堆載為3m時，沿樁身的豎向位移基本相同，其值基本在-0.10mm以內，隨著堆載高度的增加，可以看出樁基的豎向位移在逐漸增大，且樁基的位移值均為負，即樁基整體表現為上浮。對于地表以上部分，樁基豎向位移沿樁身基本一致，堆載為 3m、6m、9m和 12m對應的位移大致分別為-0.10mm、0.45mm、-0.72mm和-0.79mm。然而，在地表以下，樁基位移則表現為不同的變化規律，可以看到在地表以下，隨著樁基深度的增加，樁身豎向位移慢慢減小。此外，隨著堆載高度的增加，樁基的豎向位移增大趨勢逐漸緩慢。

圖4 右側樁隨深度的樁身豎向位移

綜上所示，不同堆載高度下，左右側樁地表以上豎向位移值沿轉樁身基本一致，而地表以下樁身豎向位移規律不一致，且左右樁的沿樁身位移變化規律存在差異。此外，認為堆載高度3m時產生的影響不大。

3.2 堆載高度不同時樁身水平位移分析

本節主要對不同堆載高度下左右樁的沿樁身不同深度處水平位移進行提取分析。如圖5所示，為左側樁在不同堆載高度下的樁身水平位移圖，規定水平位移向左為負，反之為正。由圖可知，對于堆載為3m時，沿樁身的水平位移基本相同。隨著堆載高度的增加，可以看出樁基的水平位移在逐漸增大，且樁基的位移值均為正值，即樁基整體表現為整體向右側傾斜。對于地表以上部分，樁基水平位移沿樁身基本一致，堆載為3m、6m、9m和12m對應的位移大致分別為 42.5mm、112.2mm、157.8mm和225.1mm。對于在地表以下部分，樁基水平位移表現出不同的變化規律，即隨著樁基深度的增加，樁身水平位移位移慢慢減小，樁端處水平位移基本為零。此外，隨著堆載高度的增加，樁基的水平位移增大趨勢逐漸緩慢。

圖5 左側樁隨深度的樁身水平位移

如圖6所示，為右側樁在不同堆載高度下的樁身水平位移圖，規定正方向同上。由圖可知，對于堆載為3m時，沿樁身的水平位移基本相同。隨著堆載高度的增加，樁基水平位移增大，且樁基的位移值均為正值，即樁基整體表現為整體向右側傾斜，這與左側樁規律一致。對于地表以上部分，樁基水平位移沿樁身大小基本相同，堆載為3m、6m、9m和 12m對應的位移大致分別為 38.6mm、114.6mm、171.7mm和228.4mm。對于在地表以下部分，即隨著樁基深度的增加，樁身水平位移位移慢慢減小，樁端處水平位移基本為零。此外，隨著堆載高度的增加，樁基的水平位移增大趨勢逐漸緩慢。

綜上可知，堆載對于左右樁影響規律基本一致，即地表以上樁基水平位移沿樁身基本相同，地表以下樁基沿樁身向下水平位移逐漸減小，在樁端處水平位移基本為零。

圖6 右側樁隨深度的樁身水平位移

4 控制措施及建議

公路施工過程中不允許將棄土方堆填在鄰近橋梁樁基處，但有些情況下，由于場地條件等其他因素限制，不得不將棄土方堆填在橋梁樁基附近，此種情況下應對樁基和地基進行加固，具體方法如下：

(1)對地基土進行換填

應在堆填之前，采用換填技術對橋梁樁基附近的地表以下5m深左右的軟土地基進行處理，增大地基承載力，減小堆載對樁基變形的影響。

(2)在堆載和樁基之間設置隔離樁

堆填前，通過在堆載和樁基之間設置隔離樁，以此抵抗堆載作用，減小隔離樁后橋梁樁基的變形。

(3)對橋梁樁基加固

堆填前，通過在橋梁樁基周圍加設加固樁，以此抵抗堆填土對橋梁樁基變形的影響。

5 結論

本文主要采用GeoStudio軟件對上述堆載土體對鄰近樁基安全性影響進行模擬分析。通過分析樁基在不同堆載下的豎向位移和水平位移，可以得到如下結論：

(1)不同堆載高度下，左右側樁地表以上豎向位移值沿轉樁身基本一致，而地表以下樁身豎向位移規律不一致，且左右樁的沿樁身位移變化規律存在差異，堆載高度3m時產生的影響不大。

(2)堆載對于左右樁影響規律基本一致，即地表以上樁基水平位移沿樁身基本相同，地表以下樁基沿樁身向下水平位移逐漸減小，在樁端處水平位移基本為零。隨著堆載高度的增加，樁基水平位移增大，樁基整體表現為整體向右側傾斜，左右兩側樁規律一致。當堆載不可避免時，工程中應該采取適當措施進行合理控制。