橋下填土邊坡與既有橋梁樁基相互作用的數(shù)值模擬分析

鄧澤城 尹 昭 唐先武

（1.江西省交通投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌 330025；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

0 引言

在工程建設(shè)過(guò)程中，有可能會(huì)將施工產(chǎn)生的廢土就近填筑在既有橋梁下，雖然減少了廢土的轉(zhuǎn)運(yùn)，但也會(huì)在橋梁下形成土坡。新填土坡對(duì)既有橋梁的影響是一個(gè)非常復(fù)雜的工程問(wèn)題[1-2]。目前，這一問(wèn)題已得到工程界的關(guān)注。李仁強(qiáng)[3]研究了道路施工對(duì)既有高速鐵路橋梁樁基和承臺(tái)的影響；成科霈[4]研究了橋梁樁頂位移與路堤填土高度之間的關(guān)系，結(jié)果表明，橋梁墩頂縱向位移最大，豎向位移最小；王耀等[5]通過(guò)數(shù)值模擬，分析了新建道路下穿高鐵橋梁施工對(duì)既有高鐵橋梁的影響。針對(duì)這些問(wèn)題，還有學(xué)者采用數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究等手段[6-11]對(duì)土坡與樁基的相互作用機(jī)理及影響規(guī)律進(jìn)行了深入研究，并為工程設(shè)計(jì)與施工提供了有力的指導(dǎo)。本文以某高架橋下填土工程為例，通過(guò)建立橋下土坡與既有橋梁的有限元模型，分析填土坡度與填土高度對(duì)樁基受力與變形的影響，可為后續(xù)類(lèi)似工程提供借鑒。

1 工程概況

某高速公路主線橋所處位置屬于剝蝕低山地貌單元，地面標(biāo)高在217.60～257.05m之間，地形起伏較大，自然邊坡坡度20°～30°左右。橋址區(qū)的地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由第四系全新沖洪積層及殘坡積碎屑堆積層組成。巖性主要為中粗粒花崗閃長(zhǎng)巖，按風(fēng)化程度由上而下分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化。該橋的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。下部采用柱式墩，橋臺(tái)采用150樁。樁基采用挖孔灌注樁，按照嵌巖樁設(shè)計(jì)。因周邊工程建設(shè)需要在橋下填土，對(duì)既有橋梁樁基受力與變形的影響值得重視。

2 本構(gòu)模型分析

2.1 Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的屈服面

Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的屈服面函數(shù)為：

式中，φ為內(nèi)摩擦角，其為p-q應(yīng)力面上Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的屈服面的傾斜角；c為黏聚力；Rm為廣義剪應(yīng)力的修正系數(shù)，其主要控制屈服面在π平面的形狀，其表達(dá)式為：

式中：

Θ——極偏角；

r——第三偏應(yīng)力不變量。

Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的屈服面在子午面和π平面上的形狀如圖1所示。

圖1 Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的屈服面示意圖

2.2 Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的塑性勢(shì)面

當(dāng)塑性勢(shì)面與屈服面相同時(shí)，容易在尖角處呈現(xiàn)塑性變形方向不唯一的狀況，導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算過(guò)程復(fù)雜等問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，建模時(shí)可在子午面尖角處進(jìn)行光滑處理，采用連續(xù)光滑的橢圓函數(shù)作為塑性勢(shì)面，其表達(dá)式為：

式中：

c|0——初始黏聚力；

ψ——剪脹角；

ε——子午面上的偏心率，通常取0.1；

Rmw——改進(jìn)后的修正系數(shù)，其表達(dá)式為：

式中，e是π面上的偏心率，其主要控制π面上Θ=0～π/3的塑性勢(shì)面的形狀，通常取0.5～1.0。

改進(jìn)后的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則子午面形狀如圖2所示，Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的塑性勢(shì)面如圖3所示。

圖2 改進(jìn)后的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則子午面形狀

圖3 橋下填土后的計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

圖3 Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的塑性勢(shì)面示意圖

3 有限元模型建立

3.1 模型建立及參數(shù)選擇

通過(guò)大型通用有限元分析軟件ABAQUS建立橋梁-填土路基相互作用模型，主要包括蓋梁、墩柱、填土等部分。其中，蓋梁與墩柱采用二維平面應(yīng)變單元，單元類(lèi)型為CPE4R，考慮混凝土塑性損傷，采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]中的本構(gòu)模型，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，混凝土密度為2500kg/m3，彈性模量取3.45×104MPa，內(nèi)部鋼筋采用二維線單元，單元類(lèi)型為T(mén)3D2，采用雙線性本構(gòu)模型，鋼筋密度為7800kg/m3，彈性模量取200GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度400MPa，極限強(qiáng)度540MPa。路基材料的本構(gòu)模型采用前述Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，橋下填土由上到下依次為素填土、粉砂、強(qiáng)風(fēng)化泥巖，具體參數(shù)如表1所示。

表1 填土材料參數(shù)

3.2 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

因周邊工程建設(shè)需要在橋下填土，橋下填土區(qū)域如圖3所示。圖3中，局部填土坡度為θ；填土高度為h。

4 橋下填土對(duì)既有橋梁樁基的影響分析

4.1 土坡坡度的影響

在填土高度h為15m、填土坡坡度θ分別為24°、30°、39°和52°條件下，樁身水平位移和樁身彎矩分布曲線如圖4和圖5所示。

圖4 樁身水平位移受填土坡度的影響

圖5 樁身彎矩受填土坡度的影響

由圖4可知，隨填土坡度減小，樁基水平位移逐漸減小。可以發(fā)現(xiàn)樁頂水平位移變化明顯，而距離樁頂15m后的水平位移變化較小，這是由于路基高度僅為15m。隨填土坡度由52°降低到24°，樁頂水平位移由88.3mm減小到了65.9mm，減小了約23%。

由圖5可知，隨填土坡度減小，樁身最大彎矩逐漸減小。當(dāng)填土坡度由52°，降低到24°時(shí)，樁身最大彎矩由5478kN減小至2669kN，減小了約51%。因此，在既有橋梁下填土?xí)r，應(yīng)盡可能減小樁位處邊坡形成，以保證既有橋梁工程的安全穩(wěn)定。

4.2 填土高度的影響

在填土坡度θ為52°，填土高度h分別為5m、10m和15m條件下，樁身水平位移和樁身彎矩分布曲線，如圖6和圖7所示。

圖6 樁身位移受填土高度的影響

圖7 樁身彎矩受填土高度的影響

由圖6可知，隨橋下填土高度的降低，樁身水平位移逐漸減小。隨填土高度由15m降低到5m時(shí)，樁頂水平位移由88.3mm減小到了31.1mm，減小了約65%。

由圖7可知，隨填土高度降低，樁身水平位移逐漸減小，樁身最大彎矩也隨之發(fā)生明顯變化。隨著填土高度由15m降低到5m，樁身最大彎矩由5478kN減小到了795kN，減小了85%。由此可知，在橋下回填土坡時(shí)，填土高度對(duì)樁基的變形影響較大，應(yīng)盡量減少填土高度，以保證既有橋梁安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的屈服面和塑性勢(shì)面，建立了橋下土坡與既有橋梁相互作用的有限元模型，分析了橋下填土坡度和高度對(duì)已有橋梁受力與變形的影響。模擬結(jié)果表明：（1）橋下填土將會(huì)導(dǎo)致既有橋梁產(chǎn)生較大位移，其原因是橋下填土形成的斜坡導(dǎo)致樁周土體非對(duì)稱(chēng)而形成側(cè)向土壓力，從而影響既有橋梁的安全；（2）橋下填土坡度和高度對(duì)樁基受力與變形的影響均比較顯著，在類(lèi)似工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減小回填土坡度和高度，并應(yīng)保證樁周填土的均勻性和對(duì)稱(chēng)性，以減小樁側(cè)土壓力。