軟土地區(qū)路基填土施工對鄰近橋梁樁基影響的數(shù)值分析

鄭楷柱，鄭恒斌，杜立凡

（1.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510507；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣東 廣州510642；3.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641）

近年來，隨著我國公路及城市道路的大規(guī)模建設(shè)，越來越多地出現(xiàn)了新建道路下穿既有橋梁的工程項(xiàng)目。道路施工中面對軟土地基時(shí)常需要進(jìn)行地表填土以作加固處理，進(jìn)行路基填土?xí)鹬車馏w發(fā)生位移，進(jìn)而對鄰近的橋梁樁基產(chǎn)生不可忽視的影響。由于樁周土體沉降過大引起的負(fù)摩擦力往往導(dǎo)致樁基變形過大、承載力降低和不均勻沉降等問題， 從而引起上部結(jié)構(gòu)開裂甚至坍塌[1]-[3]，而由堆載引起的樁基側(cè)向受荷會(huì)使樁基產(chǎn)生水平變形和彎矩， 甚至出現(xiàn)失穩(wěn)與破壞[4]-[8]。國內(nèi)外學(xué)者對該問題開展了一系列的研究工作，在現(xiàn)場觀測方面，馮忠居等[9]對在堆載條件下軟土地基的側(cè)向位移模式、變形規(guī)律以及鄰近樁基的力學(xué)形狀進(jìn)行了分析；模型試驗(yàn)方面，Springman 等[10]通過離心試驗(yàn)，研究了堆載作用下樁基變形與彎矩的變化規(guī)律；數(shù)值模擬方面，李志偉[11]結(jié)合具體工程實(shí)例，利用有限元方法對軟土地基在不對稱堆載作用下引發(fā)橋梁樁基的位移與附加內(nèi)力進(jìn)行了分析。本文以某沿海軟土地區(qū)新建道路在既有運(yùn)營橋梁下方進(jìn)行軟基處理及路基填土施工為工程背景，分析地面填土堆載對鄰近橋梁樁基的影響。

1.項(xiàng)目概況

圖1 橋下河堤及道路填土分布情況

某新建道路在下方橫穿既有（33+33+30）m 預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋，交叉位置為橋梁66#~68#墩。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用單箱三室箱梁，中墩為墩梁固結(jié)。箱梁分2 幅布置，每幅箱梁的基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)，設(shè)置2 根直徑為1.4m 直徑的樁基。在道路施工過程中，由于橋下區(qū)域?yàn)楹拥誊浲羺^(qū)，土質(zhì)較差，需要進(jìn)行軟基處理，對河堤淤泥采用水泥攪拌樁處理，軟基處理后在地表處進(jìn)行兩次的路基填土。橋下河堤及道路的填土分布情況見圖1 所示。

2.樁-土效應(yīng)分析模型的建立

2.1 地質(zhì)概況

下部結(jié)構(gòu)采用嵌巖樁，地質(zhì)的表層有20m 左右的淤泥，中層為砂層及全風(fēng)化次石英斑巖、花崗巖，深層巖層為微風(fēng)化次石英斑巖、花崗巖。地質(zhì)縱斷面見圖2 所示。

圖2 地質(zhì)縱斷面圖

2.2 填土施工過程

河堤處的水泥攪拌樁處理采用D600mm 的接長攪拌樁，樁長20m，間距為1m，在距離橋墩及梯道邊緣3m 處采用隔離攪拌樁，間距0.4m，攪合0.2m。道路處的水泥攪拌樁采用正三角形布置，樁徑50cm，樁間距1.4m，攪拌樁應(yīng)穿過軟土層，進(jìn)入砂層或黏土層0.5m 以上，當(dāng)軟土地面埋深超過20m 時(shí)，按照20m 控制。水泥攪拌樁頂鋪設(shè)30cm 碎石墊層。碎石墊層頂部及底部各鋪設(shè)一層雙向鋼塑土工格柵。

在水泥攪拌樁加固完成后，需要進(jìn)行路基填土，填土分為兩次進(jìn)行。第一次填土位置在河堤處，填土高度為2.5m，寬度為河堤范圍，約42m；第二次填土位置在道路處，填土高度為1m，寬度為河堤至已建輔道范圍，約66m。第一次及第二次填土范圍見圖1 所示。

2.3 平面應(yīng)變分析模型

由于地基填土范圍長度遠(yuǎn)比寬度大，且沿長度方向填土高度與寬度均可視為不變，故此工程中的堆載問題可以簡化為平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析。

采用Midas GTS NX 建立的有限元模型如圖3 所示，模型長150m、深60.5m，樁基距離土體邊緣為30m，樁間距為30m。土層采用平面應(yīng)變單元模擬，土層分為5 層，分別為雜填土、淤泥、砂、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖，其中淤泥采用了水泥攪拌樁處理，其力學(xué)參數(shù)按改善后考慮，土層力學(xué)參數(shù)見表1 所示。樁基采用梁單元，與土層采用共節(jié)點(diǎn)。

圖3 有限元模型示意圖

表1 土層力學(xué)參數(shù)

本分析依照填土施工過程共分為4 個(gè)施工階段：

（1）初始應(yīng)力平衡：對淤泥層進(jìn)行水泥攪拌樁加固，進(jìn)行土層、樁初始應(yīng)力平衡，位移清零。

（2）填土1：第一次填土，高2.5m，寬60m，模擬堤岸填土。

（3）填土2：第二次填土，1m，寬90m，模擬道路填土。

3.填土施工數(shù)值分析結(jié)果

3.1 位移分析結(jié)果

第1 次河堤填土?xí)r，66、67#軸的樁基直接承受豎向填土荷載，同時(shí)產(chǎn)生水平土荷載。第1 次填土?xí)r樁基的水平及豎向位云圖見圖4~圖5 所示。

第1 次填土?xí)r，樁基在河堤填土作用下，66、67、68、69#墩樁基最大位移分別為4.52mm、10.96mm、5.31mm、2.24mm，樁基發(fā)生最大水平位移為10.96mm，位于中墩67 軸處樁基。

第1 次填土?xí)r，樁基在河堤填土作用下，66、67、68、69#墩樁基最大沉降分別為1.33mm、0.67mm、0.02mm、0.01mm，樁基發(fā)生最大沉降為1.33mm，位于邊墩66 軸處樁基。

圖4 第1 次填土?xí)r樁基水平位移云圖（mm）

圖5 第1 次填土?xí)r樁基豎向位移云圖（mm）

第2 次道路填土?xí)r， 68、69#軸的樁基直接承受豎向填土荷載，同時(shí)產(chǎn)生水平土荷載，部分平衡河堤填土，該填土有利于樁基受力和減小水平位移。第2 次填土?xí)r樁基的水平及豎向位云圖見圖6~圖7 所示。第2 次填土?xí)r，樁基在河堤填土作用下，66、67、68、69#墩樁基最大位移分別為3.19mm、8.56mm、3.65mm、1.52mm，樁基發(fā)生最大水平位移為8.56mm，位于中墩67 軸處樁基。第2 次填土?xí)r，樁基在河堤填土作用下，66、67、68、69#墩樁基最大沉降分別為1.33mm、0.95mm、0.58mm、0.57mmmm，樁基發(fā)生最大沉降為1.33mm，位于邊墩66 軸處樁基。

圖6 第2 次填土?xí)r樁基水平位移云圖（mm）

圖7 第2 次填土?xí)r樁基豎向位移云圖（mm）

從計(jì)算結(jié)果可知，加載歷程對樁基水平位移有較大影響，對稱的加載有利于控制水平位移。在加載過程中出現(xiàn)的最大水平位移為10.96mm，位于67#墩。

3.2 樁基內(nèi)力分析結(jié)果

在橋梁建成時(shí)，橋梁樁基已經(jīng)存在著初始內(nèi)力，填土過程會(huì)使樁基產(chǎn)生附加內(nèi)力。第1、2 次填土產(chǎn)生的樁基附加彎矩圖見圖8~圖9 所示。第1 次填土?xí)r，樁基在河堤填土作用下，樁基最大附加正彎矩為142.7kN·m，最大附加負(fù)彎矩為-121.3kN·m，位于中墩67 軸處樁基。第2 次填土?xí)r，樁基在道路填土作用下，樁基最大附加正彎矩為89.6kN·m，最大附加負(fù)彎矩為-21.8kN·m，位于中墩67 軸處樁基。

從內(nèi)力計(jì)算結(jié)果可知，樁基內(nèi)力在填土過程中，產(chǎn)生的附加內(nèi)力較小；在考慮附加內(nèi)力的標(biāo)準(zhǔn)組合下的樁基內(nèi)力，經(jīng)驗(yàn)算，滿足承載能力要求。為此填土后樁基仍能滿足承載能力要求。

圖8 第1 次填土?xí)r樁的附加彎矩圖（kN·m）

圖9 第2 次填土?xí)r樁的附加彎矩圖（kN·m）

4.結(jié)語

結(jié)合橋下軟基處理情況，使用Midas GTS NX 對橋梁下部結(jié)構(gòu)建立樁土巖土模型，進(jìn)行樁基位移與內(nèi)力分析，主要結(jié)論如下：填土過程對樁基水平位移有較大影響，最大的位移量為10.96mm；對稱填土有利于控制水平位移。在填土過程中，樁基產(chǎn)生的附加內(nèi)力較小；在考慮附加內(nèi)力的標(biāo)準(zhǔn)組合下的樁基內(nèi)力，經(jīng)驗(yàn)算，滿足承載能力要求。為此填土后樁基仍能滿足承載能力要求。