地面堆卸載作用對(duì)鐵路橋墩沉降的影響分析

董 亮，蘇永華，袁 磊

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近年來鐵路大規(guī)模建設(shè)。新建鐵路附近地面堆載往往會(huì)產(chǎn)生較大的沉降和穩(wěn)定問題，特別是鄰近樁基堆載，會(huì)對(duì)樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻力、彎矩和水平推力，處理不好會(huì)導(dǎo)致樁身產(chǎn)生裂縫甚至折斷，影響了列車正常運(yùn)行[1-4]。為研究地面堆載對(duì)鄰近橋梁樁基的影響，通過數(shù)值模擬確定填土對(duì)樁基變位、樁身受水平力、豎向沉降和鄰近環(huán)境沉降影響[5-7]。

1 工程概況

一鐵路大橋設(shè)計(jì)為24跨32 m雙線簡(jiǎn)支T梁和1跨24 m 雙線簡(jiǎn)支T梁，全長(zhǎng)827.33 m。一方橋臺(tái)采用雙線空心橋臺(tái)，另一方橋臺(tái)采用雙線T形橋臺(tái)，簡(jiǎn)支梁橋墩1#—21#墩采用雙線圓端形空心墩，其余均采用雙線圓端形實(shí)心墩，墩臺(tái)基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)(如圖1所示)。該橋于2015年4月開始施工，2016年5月完成鉆孔樁，2017年3月完成架梁，2017年7月完成精調(diào)。回填后地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映該大橋與隧道過渡段發(fā)生不同程度的偏移。

圖1 部分橋型布置示意(單位：cm)

1.1 地質(zhì)水文特征

橋梁西側(cè)為煤礦山體，2012—2013年開始剝采，開挖面位于原始地形沖溝底部以下35 m，8#—18#墩開挖面基本水平，18#墩至隧道洞口段開挖形成臺(tái)階形邊坡，山體前緣開挖形成的坡高約70 m。

該橋址屬低中山丘陵區(qū)，原有地形起伏較大，溝谷發(fā)育，下切強(qiáng)烈，大部基巖裸露。地層主要由第四系全新統(tǒng)人工回填土素填土，以砂、泥巖碎塊為主，地層結(jié)構(gòu)松散，主要分布在大橋8#—21#墩，厚度為0～26.5 m；侏羅系下統(tǒng)泥巖，灰白色～深灰色，泥質(zhì)膠結(jié)，薄至中層狀構(gòu)造，強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化，層厚2.0～25.9 m；砂巖，灰白色、青灰色，全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化，薄至中厚層狀構(gòu)造，層厚2.0～25.9 m；煤層，黑色，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，遇水極易軟化，層厚0.3～7.3 m。

該區(qū)地下水類型主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，根據(jù)鉆孔揭露，穩(wěn)定水位埋深12.5～40.5 m，地下水主要由大氣降水補(bǔ)給，排泄以蒸發(fā)為主。

巖體的基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地層物理力學(xué)性質(zhì)

1.2 周邊環(huán)境變化

2017年3月開始局部開采，9月開始在橋位南側(cè)100 m外開采煤礦，開采剝離的棄土排在橋位北側(cè)200 m 外的排土場(chǎng)。橋位南側(cè)煤層開采完成后，煤礦開采橋位西側(cè)的隧道進(jìn)口段北側(cè)200 m外煤層，開采剝離的棄土在橋區(qū)范圍內(nèi)回填，回填土從2017年9月上旬開始，11 月中旬結(jié)束。

回填土位置主要在8#—21#墩，回填土高度14～26 m，最大填土在18#墩處。橋位兩側(cè)50 m 區(qū)域底部前兩層回填厚度2 m，其他層填土高度4～5 m。回填采用傾填法，回填整體順序由西向東，由北向南，未使用壓實(shí)機(jī)械碾壓。2017年11月初，發(fā)現(xiàn)CPⅢ點(diǎn)位發(fā)生偏移。

1.3 不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)

線路穿越棄土堆，主要為新近堆積素填土。礦坑回填采用煤礦剝采的棄土，以砂、泥巖碎塊為主，夾黃土、煤屑，所占比例70%～80%，粒徑幾厘米至幾米不等，局部含建筑垃圾、混有大量塊石、碎磚。由工程車運(yùn)輸傾倒形成，未進(jìn)行分層壓實(shí)處理，結(jié)構(gòu)松散；回填土內(nèi)部土質(zhì)差異大，不均勻。

2 實(shí)測(cè)橋上CPⅢ控制點(diǎn)變化情況

在2017年7月至2018年4月期間監(jiān)測(cè)線上平面變形和沉降分布見圖2。可知，線上順橋向變形主要發(fā)生在13#—23#墩，均為東向偏位，最大偏移量為21#墩處124.9 mm；線上橫橋向變形主要發(fā)生在19#—23#墩，其中19#,21#墩處北向偏位，23#墩處南向偏位，最大偏移量為19#墩處78.6 mm；線上豎向變形主要發(fā)生在7#—17#墩，均為豎向沉降，最大值為15#墩處41.7 mm。

圖2 線上CPⅢ控制點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果

從整體沉降變形的發(fā)展過程來看，橋墩變形主要與隧道進(jìn)口處坡體、棄土回填堆填的復(fù)雜作用有關(guān)。回填堆載情況對(duì)橋梁樁基的影響包括：①回填堆載和地基推移對(duì)橋梁樁基豎向沉降的影響，故選擇沉降變形較為突出的17#,18#,19#橋墩進(jìn)行分析；②不對(duì)稱回填堆載對(duì)樁基橫向變形的影響，選擇典型的19#橋墩進(jìn)行分析。

3 有限元分析模型與參數(shù)

考慮順橋向和橫橋向下沉典型的橋墩分別建模分析，順橋向模型選擇17#，18#，19#橋墩(如圖3所示)，豎向長(zhǎng)度取樁長(zhǎng)的2倍，深130 m，寬150 m。橫橋向模型選擇19#橋墩(如圖3所示)，深85 m，寬71 m。通過平衡初始地應(yīng)力場(chǎng)和橋墩豎向荷載，分析回填堆載的影響，獲取堆載作用下橋墩樁基沉降變形和應(yīng)力變化；通過分析地基受山體推移的影響，獲取推移作用下橋墩樁基變形和應(yīng)力變化[8-9]。

圖3 有限元模型

表2 17#,18#,19#墩樁基對(duì)應(yīng)的模型主要參數(shù)

4 結(jié)果分析

4.1 堆載引起的樁基沉降

堆載引起的樁基豎向沉降云圖見圖4。可知，3個(gè)橋墩中17#墩沉降最大，19#墩沉降最小。

圖4 模型豎向沉降云圖(回填堆載)

不同堆載高度(20，15，10，5 m及實(shí)際高度23 m)引起17#,18#,19#墩墩頂?shù)呢Q向沉降見圖5。可知，實(shí)際荷載堆載引起17#,18#,19#墩總沉降分別達(dá)到85.8，43.4，20.9 mm。此時(shí)17#,18#,19#墩樁基的最大主應(yīng)力分別為4.3，0.8，0.7 MPa，即堆載引起17#墩樁基主拉應(yīng)力超過允許值，按照差值法堆載高度超過13 m 時(shí)17#墩將達(dá)到主拉應(yīng)力容許值。

圖5 不同堆載高度橋墩墩頂豎向沉降

實(shí)測(cè)17#墩墩頂2017年7月—2018年4月期間的沉降為41.4 mm，按照該變形速率預(yù)計(jì)值與計(jì)算值較為接近，故而模型較為可靠。TB 10002.3—2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：有箍筋及斜筋的C30混凝土允許主拉應(yīng)力1.98 MPa，C35混凝土允許主拉應(yīng)力2.25 MPa。

樁基及墩臺(tái)豎向沉降見圖6。可知，樁基沿深度方向豎向沉降基本一致。

圖6 樁基及墩臺(tái)豎向沉降

圖7 回填堆載和地基推移引起樁基主拉應(yīng)力

4.2 地基推移引起的位移和應(yīng)力

同時(shí)施加回填堆載和地基側(cè)面推移引起樁基主拉應(yīng)力見圖7。地基側(cè)面推移是在模型右側(cè)向左側(cè)施加位移。施加的位移分別為20.0，15.0，12.0，10.5，8.0，5.0 cm。

因施加位移距離19#橋墩近，19#橋墩樁基受到的拉應(yīng)力偏大。由圖7可知，對(duì)于19#橋墩，隨著墩頂水平位移的增大，樁基產(chǎn)生的主應(yīng)力也逐漸增大，當(dāng)墩頂水平位移接近10 cm時(shí)，樁基主應(yīng)力超過2.43 MPa，即其主拉應(yīng)力允許值。18#墩的主應(yīng)力均在允許值范圍內(nèi)，17#墩受地基推移影響主應(yīng)力減小，但一直略超過容許值。

5 不對(duì)稱回填堆載對(duì)橋墩沉降變形分析

5.1 樁基沉降和位移

以19#墩為例，樁基沿深度方向的水平位移和豎向沉降見圖8。可知，不對(duì)稱回填對(duì)樁基豎向沉降影響不大，樁基水平位移受左右兩側(cè)回填堆載影響，左側(cè)堆載引起樁向右側(cè)偏移，右側(cè)堆載引起樁向左側(cè)偏移，1#樁、2#樁分別向右偏移11.8，6.7 mm，4#樁、5#樁分別向左偏移2.5，6.9 mm。橋墩向左傾斜，墩頂偏移20.8 mm。

圖8 樁基水平位移和豎向沉降

樁基和承臺(tái)的最大主應(yīng)力達(dá)到1.79 MPa，承臺(tái)承受的主應(yīng)力在允許范圍之內(nèi)。

5.2 不同堆載高度的變形和主應(yīng)力

堆載高度為1，3，5，7 m時(shí)，19#墩墩頂產(chǎn)生的豎向沉降和水平位移見圖9。可知，水平位移和豎向沉降均隨堆載高度顯著增大。

圖9 不同堆載高度下墩頂豎向沉降和水平位移

樁基及承臺(tái)最大主應(yīng)力圖10。可知，隨著堆載高度增加最大主應(yīng)力略有減小，主應(yīng)力均在允許范圍之內(nèi)，而且說明在堆載高度7 m范圍內(nèi)樁基及承臺(tái)最大主應(yīng)力受堆載高度影響很小，其主要與橋梁豎向荷載有關(guān)，主拉應(yīng)力值已接近2 MPa，所以不對(duì)稱堆載時(shí)最大不能超過7 m。

圖10 不同堆載高度下樁基和承臺(tái)最大主應(yīng)力

6 結(jié)論

1)運(yùn)營(yíng)鐵路橋梁產(chǎn)生的沉降變形受堆卸載、地基推移等周邊環(huán)境變化密切相關(guān)，且不對(duì)稱堆載產(chǎn)生不同程度的影響。

2)回填堆載對(duì)17#,18#,19#墩樁基豎向沉降有一定影響。施加實(shí)際荷載堆載引起17#,18#,19#墩的最大沉降分別達(dá)到85.8，43.4，20.9 mm，對(duì)應(yīng)樁基的最大主應(yīng)力分別為4.3，0.8，0.7 MPa，即堆載引起17#橋墩樁基主拉應(yīng)力超過容許值。

3)地基推移對(duì)17#,18#和19#墩樁基的主拉應(yīng)力有較大影響。對(duì)于19#墩，墩頂水平位移接近10 cm 時(shí)，樁基主應(yīng)力超過2.43 MPa即其主拉應(yīng)力允許值。18#墩的主應(yīng)力均在容許值范圍內(nèi)，17#墩受推移影響較小，但一直略超過容許值。

4)南北側(cè)回填堆載的不對(duì)稱性對(duì)橋梁樁基橫向產(chǎn)生水平位移有較大影響。以19#墩為例，左側(cè)堆載引起樁向右側(cè)偏移，右側(cè)堆載引起樁向左側(cè)偏移，1#樁、2#樁分別向右偏移11.8，6.7 mm，4#樁、5#樁分別向左偏移2.5，6.9 mm。橋墩向左傾斜，墩頂偏移20.8 mm。不同堆載高度對(duì)樁基和承臺(tái)主動(dòng)拉應(yīng)力影響相對(duì)較小，未超出容許應(yīng)力范圍。

5)綜合分析結(jié)果和混凝土允許主拉應(yīng)力，該橋梁樁基均勻堆載最大不能超過13 m，不對(duì)稱堆載最大不能超過7 m。