軟土區路基填筑對鄰近橋臺排樁側推效應分析

王衛強,張 浩

(1. 蘇交科集團股份有限公司 南京市 210017;2. 鄭州大學 鄭州市 450000)

0 引言

軟土地區橋臺樁基受力機制復雜,往往在支撐上部橋梁結構荷載的同時,還需承擔因鄰近路基填筑引起軟弱土層側移的推擠作用[1]。目前,針對如何考慮軟土側移對鄰近樁基的影響,尚沒有明確的計算分析方法,即使《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG 3363—2019)也沒有給出具體可靠的建議,致使軟土地區公路橋涵修建中出現因緊鄰堆載導致結構樁基偏移的病害[2]。

近些年來,國內外學者通過現場實測或模型試驗,并結合數值分析,對軟土側移作用下橋臺基樁的工作性狀開展了相應研究。基于離心模型試驗和有限元分析結果,Xiao等[3]考慮了地基處理對軟土區橋臺樁基的被動受荷效應的影響;為了更好的揭示工程實際狀況,一些有針對性的有限元模型和土層本構也被應用到了橋臺樁基的數值分析中[4]。然而,對于工程設計人員來說,這些數值分析中的高級處理技術和代碼并不易被掌握。

為了合理評估軟土側移對鄰近橋臺樁基的不利影響,Springman等[5]采用平均側向推擠力來表征軟土側移作用,在考慮樁土相對剛度、相對位移和土體強度等因素的基礎上,給出了橋臺樁的簡化計算方法;參考水平主動受荷樁的受力分析,Zhang等[6]通過修正塑性變形理論模型與極限平衡理論,給出了路堤邊載作用下既有樁基的土體側移推擠作用計算方法。文章結合南京某公路橋臺偏移事故,基于塑性理論構建了土體側移對橋臺雙排樁的推擠作用模型,采用樁身受力響應矩陣傳遞法對事故橋臺樁基進行了計算分析,揭示了軟土地基橋臺排樁的破壞機理,為軟土區橋臺雙排樁受力響應分析提供了一種分析方法。

1 工程病害實例

南京某新通道工程設計為一級公路,設計速度100km/h,全長約45.9km,其中穿湖段長約12.6km,并與湖中大堤公路平交,如圖1所示。原有大堤公路高約5.5m,兩側為新建新通道公路的引橋,因線路平交要求和考慮穿湖段路基浸水影響,兩側引橋橋臺間填土填升至6.0m。場區地層自上而下分別為素填土、淤泥質粉質黏土、硬塑狀粉質黏土、強風化和中風化砂礫巖,土層物理力學指標見表1。

表1 主要土層物理力學指標

圖1 工程示意圖

大堤兩側橋臺均采用肋板式,橫橋向3道肋板,肋板橫橋向寬度為1m,肋板平均高度5m,每道肋板下設置承臺及兩根1.2m直徑鉆孔灌注樁,樁基橫向間距4.6m,縱向間距3.5m。考慮到場區分布有淤泥質軟弱土層,地基采用剛性樁進行處理,考慮到橋臺已經施工,為了防止管樁施工造成橋臺偏移,剛性樁采用素混凝土樁,樁間距2.5m。然而,當左、右兩側橋臺施工結束,并完成臺后填土施工,在進行橋梁支座軸線放樣時,發現左、右兩側橋臺均出現了遠離大堤方向的偏移。

臺后填土結束15d后,左側、右側橋臺分別向兩側遠離大堤方向發生67～68mm和43～53mm水平位移;當后續施工開始運輸蓋梁并堆載時,兩橋臺的水平位移又進一步加劇,左側橋臺向左水平位移達到95～104mm,右側橋臺向右水平位移49～66mm。

由現場工況和地勘資料可以判定該偏移病害的主要原因是場區淺層分布一層厚約8.0～9.8m淤泥質粉質黏土。根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》對該層土承載力驗算。在臺后填土荷載作用下,淤泥質粉質黏土承載力不足,極易發生側向變形而對橋梁墩臺產生較大推擠作用。雖然工程設計中在橋臺后側填土區域局部進行素混凝土樁地基處理,但由于樁間距較大,對軟弱土層無法起到加固止移作用。

2 軟土側移推擠作用分析

考慮到橋臺結構特點與臨近填土堆載影響,基于Ito局部塑性變形理論[7],構建側移軟土與橋臺雙排樁相互作用的動態開展模型,如圖2所示。

圖2 側移軟土與橋臺排樁的相互作用模型

當臺后填土作用時,基底軟弱土層發生側向位移并對橋臺排樁產生推擠;隨著填土堆載增加,作用到前排樁BB′面的水平推擠力逐漸增大,樁間逐漸進入塑性狀態(Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區和Ⅳ區);此時,水平推力的進一步增加,塑性區將逐漸對后排樁產生推擠作用,直至側移土產生推擠作用逐漸消減并達到平衡狀態。

假定:單樁與側移土之間的塑性區開展模式同局部塑性變形模型,且樁間塑性區平衡狀態為靜土壓力狀態,即:P0=K0γz,P0為塑性區邊界應力;K0為靜止土壓力系數。

據此,以樁間AA′為水平向坐標原點,基于塑性變形理論,根據各區域土體單元靜力平衡條件可計算得出側移土體-排樁相互作用區域任意位置處的水平作用應力。

(1)Ⅰ區-BB′E′E范圍內時:

(1)

(2)Ⅱ區- EE′A′A范圍內時:

(2)

(3)Ⅲ區- AA′D′D范圍內時:

(3)

(4)Ⅳ區- DD′G′G范圍內時:

(4)

考慮臨近堆載作用影響,可給出樁間塑性區邊界BB′上水平向應力:PBB'(z)=σx(z)+K0γz,σx(z)為臨近填土堆載引起的水平向附加應力,可由彈性理論近似求出[2,6]。

考慮側移土塑性區在雙排樁間的開展特點,當塑性區影響到后排樁時,假定前排樁后側塑性區邊界水平應力與后排樁塑性區前側邊界水平應力相同(見圖2)。據此,通過以下步驟即可得出側移土對橋臺雙排樁的被動荷載作用。

如圖2所示,根據臨近堆載與橋臺樁基工況,可確定樁間AA′和BB′界面上水平向應力PAA′(z)和PBB′(z):

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(3)基于前述假定,將前排樁GG′界面上水平應力PGG′(z)作為后排樁BB′界面水平應力PBB′(z),采用與前排樁相同方法,通過步驟2即可確定塑性區開展對后排樁被動荷載作用Prs(z)。

3 橋臺樁身受力響應分析

3.1 樁土相互作用模型

如圖3所示,明確側移土體對橋臺樁基的推擠作用后,即可建立橋臺雙排樁的受力計算模型。上部墩臺假定為剛性基礎,上部荷載作用:軸力N0,剪力V0和彎矩M0;受臺后填土堆載作用,前、后排樁分別受到側移軟土的推擠作用Pfs(z)和Prs(z);根據樁間塑性區的開展情況,前、后排樁后側還會受到樁周土的抗力作用。

圖3 橋臺雙排樁受力計算模型

假定樁后土體抗力發揮為理想的彈塑性模型:

(10)

式中:pu為土體極限抗力;y為樁身側向位移;y*為土體抗力極限發揮時所對應的側向位移;b1為樁身計算寬度;k為土體抗力反應模量,采用三參數地基土抗力模型[6]。

δ為土體抗力修正系數,考慮因樁間土塑性區開展樁后土抗力并不一定完全發揮,根據第2節側移土塑性區計算方法,可得:

基于樁身受力特點,可得前排樁微分控制方程:

(11)

式中:EI樁身抗彎剛度;Nf前排樁身軸力;yf前排樁側向位移;pf(z)前排樁土體抗力。

后排樁微分控制方程:

(12)

式中:Nr為后排樁身軸力;yr為后排樁側向位移;pr(z)為后排樁土體抗力。

當臺后填土荷載水平較低時,樁間側移土體塑性區開展有限,也可能不會有推擠力作用到后排樁,此時后排樁微分控制方程退化為:

(13)

據此,考慮樁周多層土工況,通過樁身離散采用矩陣荷載傳遞法[6],可建立橋臺前、后排樁受力響應矩陣方程:

Uf(n,nn)=Sf(n,nn)…Sf(i,w)…Sf(1,2)Sf(1,1)Uf0=SfUf0

(14)

Ur(n,nn)=Sr(n,nn)…Sr(i,w)…Sr(1,2)Sr(1,1)Ur0=SrUr0

(15)

進而,考慮樁頂邊界條件:

Mf0+Mr0=M0;Vf0+Vr0=V0;yf0=yr0=y0;φf0=φr0=φ0

樁端自由時:

Mf(n,nn)=0;Vf(n,nn)=0

Mr(n,nn)=0;Vr(n,nn)=0

樁端固定時:

yf(n,nn)=0;φf(n,nn)=0

yr(n,nn)=0;φr(n,nn)=0

將樁頂和樁端已知邊界條件代入式(14)和式(15)即可求解該兩個矩陣方程,從而得出剩余的樁頂和樁端的未知參量,進而可得出前、后排樁任意節點處的參量。

3.2 工程案例計算分析

采用上述方法對前述工程病害橋臺樁基進行計算分析。由于缺乏地層土體抗力參數,根據原鐵道部第二勘測設計院提供的常見巖土體抗力系數經驗值0.5～1.4MN/m4,黏土抗力系數取為0.5 MN/m4。臺后填土高度取為線路平交設計高度6m;左、右側橋臺承臺尺寸11.4m×5.7m×1.6m,樁長分別為36m和30m,均采用鋼筋現澆混凝土,樁身彈性模量取38GPa。由于橋臺上部結構尚未施工,樁頂承臺邊界條件M0=0、V0=0,樁頂軸力由墩臺自重計算得出,單樁樁頂軸力Ni=433.2kN;樁端邊界采用自由約束。

圖4所示即為工程中左、右側橋臺排樁的水平位移曲線和樁身彎矩曲線。可以看出,計算所得樁頂承臺水平位移量與現場實測結果較為接近。由于樁頂橋臺的剛性約束,前后排樁水平位移較為接近,但樁身彎矩分布明顯不同,前排樁在上部橋臺剛性約束與軟弱土側移推擠力綜合作用下,樁身上部有明顯的反彎現象。

圖4 工程案例計算結果

以右側橋臺雙排樁基工況為基礎,計算不同軟弱土層厚度工況(h=6.0m、8.0m和10.0m)下橋臺樁基的水平位移和樁身彎矩分布曲線,見圖5。隨著軟弱土層厚度的增加,在臺后填土荷載作用下其對橋臺樁基的側向推擠作用增強。當軟弱土厚度由8.0m增加到10.0m時,樁頂位移增加了約46.9%,樁身最大彎矩增加了約32.5%～33.6%。

圖5 軟土層厚度影響

4 結論

(1)南京某新通道穿湖段橋臺偏移事故工程調研分析表明,臺后填土引起基底軟弱土側移推擠作用不容忽視,在軟土區橋臺設計與施工中應予考慮。

(2)基于局部塑性變形理論及橋臺雙排樁受荷特點,構建了側移軟土與橋臺雙排樁相互作用動態開展模型,給出了雙排樁被動荷載效應計算方法。

(3)通過樁身離散和矩陣傳遞法,分析了工程案例橋臺樁基被動受荷效應,驗證了側移土推擠作用計算方法的適用性。