近海填土對(duì)既有橋梁樁基影響分析與建議

田 帥

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

隨著沿海城市的發(fā)展，土地資源逐漸成為制約其城市發(fā)展的瓶頸。工程建設(shè)中常常出現(xiàn)由于地面填筑、堆載等施工導(dǎo)致鄰近結(jié)構(gòu)物樁基拉應(yīng)力和位移過(guò)大的情況。

目前很多學(xué)者針對(duì)填土對(duì)樁基的影響做了許多研究工作，蘭南[1]等分析了填土在不同距離、不同堆載速率的條件下，對(duì)橋梁基礎(chǔ)的影響情況。聶磊[2]研究了不同堆載分布寬度和高度對(duì)鄰近樁基的影響。陳富強(qiáng)[3]等就填土加高對(duì)橋梁樁基的內(nèi)力和變形研究進(jìn)行了研究分析。但對(duì)于填土的方向以及分層填土的順序缺乏相關(guān)研究。本文結(jié)合沿海某項(xiàng)目采用Midas GTS NX 三維數(shù)值模擬方法分析了填土方向以及分層填土銜接順序?qū)蚨諛痘挠绊懀瑫r(shí)對(duì)比分析了填土對(duì)不同橋墩樁徑的影響以及對(duì)橋墩采用不同保護(hù)措施下填土對(duì)橋墩樁基的影響，研究結(jié)果可以為類似工程設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 工程概況

沿海某項(xiàng)目通過(guò)填海筑島形成穩(wěn)定陸域，為島上隧道、道路、橋臺(tái)、風(fēng)塔等島內(nèi)構(gòu)筑物的施工創(chuàng)造相對(duì)良好的施工條件。島壁結(jié)構(gòu)施工完畢后，島壁內(nèi)側(cè)區(qū)域回填中粗砂至標(biāo)高2.5 m，然后分區(qū)域分層回填中粗砂至標(biāo)高7.5 m。由于人工島目前尚未施工，而且筑島區(qū)域與沿江高速部分橋樁位置重合，存在相互影響。為了保障鄰近高速橋梁的運(yùn)營(yíng)安全，有必要研究人工島在填筑過(guò)程中對(duì)沿江高速橋墩的影響。圖1 為沿江高速橋墩平面布置圖。

圖1 填土范圍內(nèi)橋墩樁位圖

2 計(jì)算模型

為了研究島內(nèi)填土對(duì)鄰近橋樁的影響，根據(jù)東人工島南端的實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)情況，利用MIDAS GTS NX三維有限元軟件建立以71#～74# 橋墩為背景的計(jì)算模型，研究相關(guān)施工過(guò)程對(duì)其造成的影響，壩內(nèi)填土厚度共7.5 m，第一層填土2.5 m，隨后按1 m 分層填土至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

模型中土體均采用實(shí)體單元模擬，計(jì)算模型見(jiàn)圖2 和圖3，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土體模型參數(shù)

圖2 橋梁承臺(tái)與樁基透視圖

圖3 整體模型網(wǎng)格圖

橋墩與樁基分別采用實(shí)體單元與梁?jiǎn)卧M，為了降低筑島對(duì)鄰近橋樁的影響，利用鋼板樁保護(hù)橋墩，采用板單元模擬鋼板樁的保護(hù)作用，板厚取20 mm，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 橋梁承臺(tái)、樁基與鋼板樁參數(shù)

為了防護(hù)海浪影響，人工島邊緣采用堤壩加固，堤壩擬采用塊石基礎(chǔ)，利用3 t 扭王字塊進(jìn)行護(hù)面，堤壩外海側(cè)采用分級(jí)放坡處理。由于堤壩整體性較好，強(qiáng)度高，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，模型中采用重度為22 kN/m3，泊松比為0.3，彈性模量為150 MPa。

堤壩下方土體采用水泥攪拌樁加固，水泥攪拌樁采用等效為提高同等范圍內(nèi)的土體參數(shù)，等效的水泥土參數(shù)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值，重度取為19.5 kN/m3，彈性模量取120 MPa，泊松比取0.3，粘聚力取80 kPa，內(nèi)摩擦角取20°

3 計(jì)算結(jié)果分析

（1）順橋向填土與橫橋向填土對(duì)比分析

由于橋樁的順橋向方向和橫橋向方向布置存在差異，那么不同方向的填土便會(huì)對(duì)橋樁產(chǎn)生不同的影響。對(duì)比分析橫橋向填土與順橋向填土的填筑方式對(duì)橋樁變形影響的差異。兩種填筑方法示意見(jiàn)圖4。

圖4 不同填土方式示意圖

每層填土共分三個(gè)區(qū)域，①區(qū)、②區(qū)和③區(qū)，若第一層填土按照①區(qū)～③區(qū)的順序填筑，則第二層土按照③區(qū)～①區(qū)的順序填筑，依次類推。

表3 為兩種填土填筑方式下，不同施工步驟橋樁順橋向位移的最大值，采用橫橋向填土方式，橋樁最大變形值為50.4 mm，而采用順橋向填土方式最終變形為63.9 mm。由此可見(jiàn)，采用橫橋向填土方式對(duì)橋樁的順橋向位移影響相對(duì)較小。

表3 不同填土方式順橋向最大位移值

表4 為兩種填土填筑方式下，不同施工步驟橋樁橫橋向位移的最大值，采用橫橋向填土方式，橋樁最終變形值為4.38 mm，而采用順橋向填土方式最終變形為4.15 mm。由此可見(jiàn)，采用順橋向填土方式對(duì)橋樁的橫橋向位移影響相對(duì)較小。

表4 不同填土方式橫橋向最大位移值

綜合上述分析可以看出，填土對(duì)橋樁的影響主要以樁基的順橋向位移變形為主，而采用橫橋向填土方式更有利于控制橋樁的順橋向位移，因此，采用橫橋向的填土方式完成島內(nèi)土體填筑對(duì)控制橋樁變形更加有利。

（2）分層填土不同銜接順序?qū)驑段灰朴绊?/p>

以橫橋向填土方式為例，分析由本層填土過(guò)渡到下一層填土的銜接順序?qū)驑俄槝蛳蛭灰频挠绊懀唧w對(duì)比分析以下兩種工況：

工況一：本層土按①區(qū)～③區(qū)的順序填土，而下一層土按照③區(qū)～①區(qū)順序填土。

工況二：本層土按①區(qū)～③區(qū)的順序填土，而下一層土按照①區(qū)～③區(qū)順序填土。

結(jié)合表5 和表6 數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，第一層填土和第二層填土銜接時(shí)，工況一與工況二引起的位移變化值分別為0.49 mm 和0.78 mm；第三層填土與第四層填土銜接時(shí)引起的位移變化值分別為0.62 mm和0.96 mm，這說(shuō)明工況二對(duì)橋樁的變形影響較大，故采用工況一中的填土銜接方式更有利于控制分層填土對(duì)橋樁變形的影響。

表5 第一層填土和第二層填土銜接時(shí)順橋向位移變化值

表6 第三層填土和第四層填土銜接時(shí)順橋向位移變化值

（3）橋樁樁徑變化的影響

由于橋樁外套鋼管，實(shí)際樁徑接近1.8 m，故對(duì)比分析了1.6 m 樁徑和1.8 m 樁徑的橋梁樁基在填土作用下的變形和受力特征。

根據(jù)表7 中計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，分析可以知道，樁徑增大導(dǎo)致樁基的水平位移值有所減小，但會(huì)引起樁身附加彎矩的增大，樁身附加彎矩增大約30%。

表7 不同樁徑變形與附加彎矩統(tǒng)計(jì)表

（4）不同橋墩保護(hù)方案對(duì)比分析

以橫橋向填土方式，工況一填土銜接順序?yàn)槔芯坎煌Ｗo(hù)方案下填土對(duì)橋樁的影響。

分別模擬鋼板樁保護(hù)方案與鉆孔灌注樁保護(hù)方案下填土對(duì)橋樁的影響，鋼板樁采用IV 型拉森鋼板樁，灌注樁直徑為1.5 m。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 不同橋梁樁基保護(hù)措施橋樁變形結(jié)果

根據(jù)表8 結(jié)果分析可知，采用鉆孔灌注樁保護(hù)鄰近橋墩可以顯著控制橋樁的變形，樁基順橋向位移降低約70%。

若采用鋼板樁保護(hù)，最終填土區(qū)域內(nèi)橋樁變形將達(dá)到50.4 mm，會(huì)對(duì)橋樁產(chǎn)生極大不利影響，故最終壩內(nèi)填土區(qū)域橋墩采用灌注樁保護(hù)，鄰近壩堤以及壩堤處橋墩采用鋼板樁保護(hù)，不同保護(hù)措施下的橋樁變形均得到了有效控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文借助Midas GTS NX 軟件建立三維數(shù)值模型對(duì)橋樁周邊填土進(jìn)行模擬，研究了不同填土方向、逐層填土不同銜接順序，橋樁樁徑變化以及不同橋墩保護(hù)方案對(duì)橋樁的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

（1）填土對(duì)橋樁的影響主要以樁基的順橋向位移變形為主，而采用橫橋向填土方式更有利于控制橋樁的順橋向位移，因此，建議采用橫橋向的填土方式完成島內(nèi)土體填筑。

（2）采用工況一（本層土按①區(qū)～③區(qū)的順序填土，而下一層土按照③區(qū)～①區(qū)順序填土）的填土銜接方式更有利于控制分層填土對(duì)橋樁變形的影響。

（3）樁徑增大導(dǎo)致樁基的水平位移值有所減小，但會(huì)引起樁身附加彎矩的增大。

（4）相比于鋼板樁保護(hù)措施，鄰近人工島南端填土區(qū)域內(nèi)的橋墩采用鉆孔灌注樁保護(hù)措施更有力于控制橋樁變形。