鄰近場地挖填方對既有橋梁樁基影響的數(shù)值分析

方 睿

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

近年來，國內(nèi)公路橋梁和城市橋梁樁基發(fā)生偏移甚至斷樁的事故時有發(fā)生。究其原因，在既有橋梁樁基鄰近處填方或挖方是造成事故的主因之一。在既有橋梁附近填土或開挖使樁基處土體發(fā)生水平位移，過大的土體位移導(dǎo)致臨近樁基發(fā)生彎曲或剪切變形，當(dāng)變形突破極限時則造成樁基破壞。本文旨在探討在既有橋梁側(cè)挖填施工，原有橋梁樁基的水平位移控制標(biāo)準(zhǔn)，并針對實際案例開展數(shù)值模擬分析，為此類工程的設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

本文以國內(nèi)某一線城市繞城公路城市化交通改造工程中某樞紐互通綠化調(diào)坡工程為例，開展鄰近場地挖填方對既有橋梁樁基影響的分析。橋梁寬9m，墩中心距27.3m，橋墩承臺寬5.2m，每墩四樁，樁長49m，樁徑1.2m。該工程項目地形改造以填挖方為主，挖方最大深度達(dá)8m，填方最大高度約6m。根據(jù)工程填挖方情況，將工程施工區(qū)域分為僅側(cè)方開挖、側(cè)方+下方開挖、僅側(cè)方填土、側(cè)方+下方填土4 種工況，采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬[1]。

2 橋梁樁基變位控制標(biāo)準(zhǔn)分析

根據(jù)國內(nèi)的實際情況，本文主要選取了我國的《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T3650-2020）[2]，《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）[3]，《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50497-2019）[4]等國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域樁基設(shè)計技術(shù)規(guī)范，對上述規(guī)范中樁基水平位移的限值進(jìn)行了梳理（見表1）。

在國外，美國交通研究委員會將“樁基不可承受的變形”即變形控制標(biāo)準(zhǔn)定義為：該變形將導(dǎo)致上部建筑結(jié)構(gòu)的破壞，因而需要付出高昂的維護(hù)或者修復(fù)費用，甚至重新修建更昂貴的結(jié)構(gòu)。

Bozozuk（1978）通過對美國、加拿大150 座采用樁基礎(chǔ)支撐的橋梁墩、臺調(diào)查統(tǒng)計，給出了基樁樁頂變形的允許值（見表2）。

表2 Bozozuk（1978）樁基變位容許值（單位：mm）

美國國家工程部1978～1983 年搜集了美國及加拿大境內(nèi)314 座橋梁的基礎(chǔ)變位、結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，設(shè)定了橋梁可承受的變形標(biāo)準(zhǔn)（見表3）。

綜合上述規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，分析后認(rèn)為一般公路、城市道路中等跨度（25～40m）橋梁樁基水平向變位容許值宜取25mm。

3 數(shù)值計算模型建立與結(jié)果分析

3.1 數(shù)值計算模型建立

根據(jù)工程實際情況，建立相應(yīng)的數(shù)值計算模型。考慮到承臺變截面結(jié)構(gòu)對計算結(jié)果影響不大，將承臺以上部分簡化為等截面，箱梁簡化為實體梁，兩橋墩間的路線簡化為直線[5-6]。橋樁模型如圖1 所示，土層分布如圖2 所示，土層參數(shù)取值見表4。整個土體模型長200m，寬55m，高60m，橋樁結(jié)構(gòu)與土體采用接觸模型，接觸模型示意圖如圖3 所示。整個計算模型的網(wǎng)格劃分如圖4所示，計算模型共21004個計算節(jié)點，17485個計算單元，采用三維八節(jié)點應(yīng)力計算模型。限制土體模型邊界x，y方向位移和地面三個方向的位移，限制橋梁邊界y方向的位移。

圖1 橋樁模型示意圖

圖2 土層分布示意圖

圖3 接觸模型示意圖

圖4 網(wǎng)格劃分展示圖

表4 各土層參數(shù)取值統(tǒng)計表

3.2 不同工況計算結(jié)果分析

本次研究主要分析了4種工況（見圖5～圖8），對各種工況下施工前后的樁基沉降變形、軸力變化、側(cè)向位移、側(cè)向應(yīng)力、樁身剪力、樁身彎矩等進(jìn)行對比分析。

圖5 側(cè)面+下方開挖計算工況

圖6 僅側(cè)面開挖計算工況

圖7 側(cè)面+下方填土計算工況

圖8 僅側(cè)面填土計算工況

3.2.1 側(cè)面+下方開挖工況分析

深挖側(cè)最大開挖深度8m，開挖寬度40m；橋梁下方及淺挖側(cè)最大開挖深度4m，開挖寬度40m。保留橋墩承臺周邊正方形寬度的土體，其寬度取為橋梁正下方投影的寬度。在此工況下，針對深挖側(cè)深度和寬度進(jìn)行參數(shù)分析。

（1）在淺挖側(cè)深度和兩側(cè)開挖寬度不變的情況下，對深挖側(cè)開挖深度分別取0m，2m，4m，6m，8m 和10m進(jìn)行參數(shù)分析，分析結(jié)果如下：

①結(jié)構(gòu)沉降變形隨深挖側(cè)挖方深度先上抬后下沉。深挖側(cè)挖方深度在2～7m 區(qū)間，由于兩側(cè)土體回彈帶動中間橋體抬升，最大抬升4mm；深挖側(cè)挖方深度大于7m，則結(jié)構(gòu)沉降隨深度增加而不斷增大。

②橋樁軸力在深挖側(cè)開挖深度小于6m 時，隨開挖深度變大而變小；大于6m 時，反而隨開挖深度增大逐漸增大，當(dāng)深度大于10m 時軸力超過了開挖前水平。這主要是因為開挖深度增大，橋樁變形引起重心改變導(dǎo)致的。

③樁身整體向深挖側(cè)變形，最大側(cè)向位移值隨兩側(cè)開挖深度差值變大而變大。當(dāng)開挖深度差異超過4m 時，樁身最大側(cè)向位移接近23mm。樁身最大剪力、最大合彎矩隨兩側(cè)開挖深度差值增大而變大。不同開挖深度對結(jié)構(gòu)側(cè)向應(yīng)力的影響并不顯著。

（2）在淺挖側(cè)、深挖側(cè)深度及淺挖側(cè)寬度不變的情況下，對深挖側(cè)開挖寬度分別取10m、20m、30m、40m、50m和60m進(jìn)行參數(shù)分析，分析結(jié)果如下：

①結(jié)構(gòu)沉降變形隨深挖側(cè)挖方寬度的增大而變小，且變化速度逐漸減緩，當(dāng)開挖寬度達(dá)到50m 時，沉降變形不再減少。

②樁身整體向挖方量大的一側(cè)發(fā)生位移，最大側(cè)向位移值隨差異挖方量的增大而變大。在相同的挖方深度差值情況下，控制橋樁兩側(cè)挖方量的差異可有效控制結(jié)構(gòu)側(cè)向位移。

③深挖側(cè)不同開挖寬度對樁身軸力、樁身側(cè)向應(yīng)力、樁身最大剪力、樁身最大合彎矩的影響均很小。

3.2.2 僅側(cè)面開挖工況分析

僅在樁基一側(cè)開挖，挖深6m，開挖寬度30m，開挖面距樁基15m。在此工況下，針對開挖面與樁基距離，分別取5m、15m、25m、35m 和45m 進(jìn)行參數(shù)分析，分析結(jié)果如下：

（1）結(jié)構(gòu)沉降變形隨側(cè)面開挖距離先增大后減小，在距離15m左右時最大沉降變形約1.6mm。

（2）樁身整體向開挖側(cè)變形，最大側(cè)向位移隨側(cè)面開挖距離的增大而顯著減小。當(dāng)開挖距離為5m 時最大側(cè)向位移為14mm，開挖距離達(dá)到45m 時最大側(cè)向位移為4mm，說明增大開挖距離可有效控制結(jié)構(gòu)側(cè)向變形。

（3）不同的側(cè)面開挖距離對樁身軸力、樁身側(cè)向應(yīng)力的影響均不明顯。

（4）樁身最大剪力、最大合彎矩隨側(cè)面開挖距離的增大而減小，當(dāng)距離超過50m時基本可以忽略。

3.2.3 側(cè)面+下方填土工況分析

低填側(cè)及橋梁下方最大填土高度2m，填方寬度20m；高填側(cè)最大填土高度4m，填方寬度20m。在此工況下，針對填方高度和寬度進(jìn)行參數(shù)分析。

（1）在低填側(cè)高度和兩側(cè)填方寬度不變的情況下，對高填側(cè)填方高度分別取0m，2m，4m，6m 和8m進(jìn)行參數(shù)分析，分析結(jié)果如下：

①由于選取案例存在軟土層，填方的增高將使得結(jié)構(gòu)沉降顯著增大，當(dāng)高填側(cè)填方高度為5m 時，橋面沉降約50mm，當(dāng)高填側(cè)填方高度為8m 時，橋面沉降接近200mm。

②樁身整體向低填側(cè)變形，最大側(cè)向位移值隨高差變大而顯著增大。在填方高度相差2m 時，最大側(cè)向位移為14mm，在填方高度相差4m 時，最大側(cè)向位移達(dá)到了34mm。因此，本案例所處地質(zhì)條件下填方高差不宜大于2m。

③樁身最大剪力、最大彎矩的大小隨填方高差變大而變大，且在相同高差時，填土高度越大剪力值越大。隨填方高度的增高，樁身軸力及側(cè)向應(yīng)力變化幅度整體呈現(xiàn)增大趨勢，但相對于增幅并不顯著。

（2）在低填側(cè)、高填側(cè)填方高度及低填側(cè)寬度不變的情況下，對高填側(cè)填方寬度分別取10m、20m、30m、40m和50m進(jìn)行參數(shù)分析，分析結(jié)果如下：

①橋面沉降變形、樁身最大剪力、最大彎矩隨高填側(cè)寬度的增大而增大，但增大速率逐漸減小，當(dāng)填方寬度大于40m 后沉降變形、最大剪力和彎矩基本不再增加。

②樁身整體向低填側(cè)位移，最大側(cè)向位移隨高填側(cè)填方寬度的增大而增大，但增大速率不斷減小。當(dāng)填方寬度大于40m 時，側(cè)向位移接近24mm，因此應(yīng)盡量減小填方寬度以控制結(jié)構(gòu)側(cè)向位移。

③樁身軸力、側(cè)向應(yīng)力在高填側(cè)不同填方寬度情況下變化幅度很小。

3.2.4 僅側(cè)面填土工況分析

僅在樁基一側(cè)填土，填高2m，填土寬度20m，填方邊坡距樁基15m。在此工況下，針對填方邊坡與樁基距離，分別取5m、15m、25m、35m 和45m 進(jìn)行參數(shù)分析，分析結(jié)果如下：

（1）橋梁的沉降變形隨著填方邊坡與樁基的距離增大而減小，距離5m 時沉降約2.3mm，距離大于40m后基本可忽略。

（2）樁身整體向非填方側(cè)變形，最大側(cè)向位移值隨填方距離的變大而減小，填方距離5m 時，17m 深度處最大側(cè)向位移10mm；樁身最大剪力及彎矩的大小均隨側(cè)向填方距離的變大而減小。

（3）樁身軸力及側(cè)向應(yīng)力受側(cè)向填方不同填方距離的影響并不明顯。

4 結(jié)束語

綜上所述，在既有橋梁樁基鄰近處進(jìn)行填方或者挖方，會引起樁基發(fā)生偏移甚至出現(xiàn)斷樁事故，造成嚴(yán)重的后果。為了避免此類事故的發(fā)生，工程參與各方一定要明確：（1）既有橋梁側(cè)土方開挖和填筑，會影響樁基的水平向位移；（2）填方高度和挖方深度是土方施工引起鄰近橋梁和樁基變形的主要因素；（3）控制挖方或填方范圍，增大挖方或填方區(qū)域與既有橋梁樁基的距離，可有效減小填挖施工對鄰近既有橋樁樁基的影響。另外，對于在軟土地基既有橋梁側(cè)進(jìn)行土方開挖和填筑的工程，除通過數(shù)值模擬分析挖填土方對鄰近既有橋樁結(jié)構(gòu)的影響外，還應(yīng)該在施工時加強對橋樁結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測。