非對(duì)稱路堤填筑對(duì)鄰近橋樁影響分析

王江，杜冰，張坤勇，郭楷文

（1.中山市交通項(xiàng)目建設(shè)有限公司，廣東 中山 528403；2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710075；3.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，南京 210024)

1 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，新建或改建公路與城市高架橋并行的工程數(shù)量逐漸增多。路橋共線工程可以節(jié)約土地資源，但高架橋橋樁在非對(duì)稱路基填筑下，原有力學(xué)平衡條件發(fā)生改變。若軟土未經(jīng)過(guò)有效處理，路堤填筑引起的土體水平位移會(huì)導(dǎo)致樁基偏移，影響上部結(jié)構(gòu)的正常使用[1]。臨近堆載影響樁基功能導(dǎo)致橋梁損失的事故屢有發(fā)生[2-3]，為防止在建橋樁因路堤填筑引起過(guò)大偏移或損毀，可對(duì)軟土地基進(jìn)行處理，常見(jiàn)方法是施作水泥土攪拌樁或混凝土樁形成復(fù)合地基。近年來(lái)，淺層就地固化技術(shù)因可以較好地改善地基承載性能，在深厚軟土地區(qū)得到應(yīng)用[4]。在現(xiàn)有規(guī)范沒(méi)有明確規(guī)定施工期樁基變形控制要求的情況下，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理的數(shù)值模擬，分析路堤填筑引起的橋樁內(nèi)力、變形十分必要。數(shù)值模擬的關(guān)鍵在于土體本構(gòu)關(guān)系的選擇和其參數(shù)的確定。Roscoe 和Burland提出修正劍橋模型，對(duì)于軟土具有很好的適用性[5]。修正莫爾-庫(kù)倫模型是莫爾-庫(kù)倫模型的擴(kuò)展形式，其將非線彈性和塑性模型相結(jié)合，可以合理計(jì)算應(yīng)力變化引起的土體沉降與變形[6]。

本文以某一級(jí)公路路橋共線工程為例，通過(guò)數(shù)值模擬分析非對(duì)稱堆載對(duì)鄰近橋樁的影響。考慮到土層性質(zhì)的不同，軟土選用修正劍橋模型，其他土體選用修正莫爾-庫(kù)倫模型，使計(jì)算結(jié)果更具準(zhǔn)確性。

2 工程概況

該一級(jí)公路路橋共線工程位于珠三角地區(qū)，在共線段27.25 km 范圍內(nèi)取110 個(gè)地質(zhì)鉆孔，勘察結(jié)果顯示軟土厚度超過(guò)15 m 的孔占比94.5%，工程沿線屬于深厚軟土地區(qū)。路面總寬度41.5 m，兩側(cè)道路寬度為14.25 m，路基標(biāo)準(zhǔn)斷面圖如圖1 所示。

圖1 路基標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

橋樁直徑為2.8 m，2 根橋樁間距9.0 m，路堤放坡比為1∶1.5，路堤平均填筑高度為3.6 m。考慮到實(shí)際施工過(guò)程中要保證單側(cè)道路通行，因此，計(jì)算中考慮單側(cè)軟基處理與路堤填筑的工況，此時(shí)橋樁會(huì)受到非對(duì)稱荷載作用。有兩種軟基處理方案：一是水泥土攪拌樁復(fù)合地基方案（下文稱為方案1），二是就地固化結(jié)合水泥土攪拌樁復(fù)合地基方案（下文稱為方案2）。

3 有限元模型建立

3.1 參數(shù)取值

確定修正劍橋模型的屈服面和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系需要3 個(gè)試驗(yàn)參數(shù)，壓縮參數(shù)λ、回彈參數(shù)κ 和M。可通過(guò)單向固結(jié)回彈試驗(yàn)先求得壓縮指數(shù)Cc和膨脹指數(shù)Cs，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系求得λ、κ[7]。M 可通過(guò)常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)求得。修正莫爾-庫(kù)倫模型參數(shù)可通過(guò)一般室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)勘察取得。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)勘察報(bào)告，具體參數(shù)取值如表1、表2 所示。

表1 軟土參數(shù)取值

表2 其他土體參數(shù)取值

橋樁采用彈性模型，長(zhǎng)度為90 m，重度為23.5 kN/m3，泊松比為0.167，彈性模量為3.15×107kPa；水泥土攪拌樁采用修正莫爾-庫(kù)倫模型，樁間距1.3 m，長(zhǎng)度15 m，重度為22.0 kN/m3，泊松比為0.2，壓縮模量為1.0×105kPa。

3.2 有限元模型建立

為分析橋樁在單側(cè)路堤堆載作用下的應(yīng)力變形響應(yīng)，建立有限元模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型

為減小邊界效應(yīng)，模型尺寸設(shè)置為230 m×140 m，土體共劃分4 層。模型兩側(cè)水平約束，底部水平和豎直均約束，地下水埋深1 m。圖2 中右側(cè)為樁距1.3 m，長(zhǎng)度15 m 的水泥土攪拌樁。將左側(cè)橋樁命名為橋樁1，右側(cè)橋樁命名為橋樁2。路堤填筑高度取3.6 m，分6 層進(jìn)行填筑，每層填筑時(shí)間為1 d。有就地固化處理時(shí)，路堤填筑不設(shè)置墊層；無(wú)就地固化處理時(shí)，路堤填筑設(shè)置有60 cm 墊層。

在實(shí)際施工中，單側(cè)堆載狀態(tài)最多持續(xù)半年，但為了說(shuō)明單側(cè)堆載對(duì)橋樁及土體的影響規(guī)律，有限元計(jì)算中將單側(cè)堆載狀態(tài)持續(xù)到堆載完成3 年后。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 樁身水平位移

橋樁的樁身位移、轉(zhuǎn)角隨堆土過(guò)程及時(shí)間變化如圖3～圖4 所示。

圖4 方案2 樁身位移

由圖3、圖4 可以看出，隨著路堤填筑高度的增加，橋樁水平位移不斷增大。填筑高度不大時(shí)，樁頂位移相對(duì)較小，橋樁2最大水平位移發(fā)生在16～22 m 的位置；路堤填筑結(jié)束時(shí)，橋樁2 最大水平位移發(fā)生在橋樁頂部，方案1 中橋樁2 最大水平位移為46.7 mm，方案2 中橋柱2 最大水平位移為20.7 mm。橋樁1 整體規(guī)律和橋樁2 類似，路堤填筑結(jié)束時(shí)，方案1 中橋樁1 最大水平位移為43.9 mm，方案2 中橋柱1 最大水平位移為20.4 mm。方案1 路堤填筑完畢3 年內(nèi)橋樁的水平位移有明顯變化，方案2 因采用了就地固化，路堤填筑完畢3 年內(nèi)橋樁的水平位移無(wú)明顯變化。

4.2 樁身彎矩

根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，已知梁的撓度或轉(zhuǎn)角，即可求出梁的內(nèi)力，梁的撓曲線近似微分方程為：

式中，ω 為梁的撓度；θ 為梁的轉(zhuǎn)角；M 為梁的彎矩；EI 為梁的抗彎剛度；x 為梁的撓曲線近似微分方程的位置坐標(biāo)。

橋樁可視為梁，根據(jù)撓曲線近似微分方程和上文數(shù)值計(jì)算得到的樁身位移或轉(zhuǎn)角可以求出樁身彎矩，如圖5 和圖6所示。

圖5 方案1 樁身彎矩

圖6 方案2 樁身彎矩

由圖5、圖6 可以看出，因?yàn)闃驑? 和橋樁2 邊界條件不完全一致，所以剪力和彎矩變化規(guī)律有所不同。對(duì)于方案1，橋樁2 上部的堆土和鄰近的長(zhǎng)度15 m 的水泥土攪拌樁對(duì)橋樁產(chǎn)生約束。堆土高度達(dá)到3.6 m 時(shí)，橋樁2最大彎矩為8 079.6 kN·m。堆載完成半年后，橋樁2 最大彎矩為4 567.5 kN·m。橋樁1 上部無(wú)堆土，鄰近無(wú)水泥土攪拌樁，約束弱于橋樁2。堆土高度達(dá)到3.6 m 時(shí)，樁身最大彎矩為6 447.2 kN·m。堆載完成半年后，樁身最大彎矩為8 023.9 kN·m。

對(duì)于方案2，橋樁2 上部的堆土、固化土和鄰近的長(zhǎng)度15 m 的水泥土攪拌樁對(duì)橋樁產(chǎn)生約束。堆土高度達(dá)到3.6 m時(shí)，橋樁2 最大彎矩為6 627.7 kN·m。堆載完成半年后，橋樁2 最大彎矩為7 175.5 kN·m。橋樁1 上部無(wú)堆土，鄰近無(wú)水泥土攪拌樁，約束弱于橋樁1。堆土高度達(dá)到3.6 m 時(shí)，樁身最大彎矩為4 697.1 kN·m。堆載完成半年后，樁身最大彎矩為4 826.9 kN·m。

根據(jù)上述計(jì)算，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)在樁身彎矩較大位置范圍內(nèi)加強(qiáng)配筋。在實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)盡量避免非對(duì)稱路堤填筑工況的出現(xiàn)，應(yīng)采取對(duì)稱填筑或?qū)⒐穬蓚?cè)填筑高度差控制在一定范圍內(nèi)，避免橋樁產(chǎn)生過(guò)大位移，影響后續(xù)施工。

5 結(jié)論

基于某一級(jí)公路路橋共線工程，本文計(jì)算了不同軟基處理方案非對(duì)稱路堤填筑條件下鄰近橋樁樁身的水平位移、轉(zhuǎn)角和彎矩的變化，主要結(jié)論如下。

1）隨著堆土高度的增加，橋樁水平位移不斷增大。填筑高度不大時(shí)，鄰近路堤填筑的橋樁2 最大水平位移發(fā)生在16～22 m的位置；路堤填筑結(jié)束時(shí)，橋樁2 最大水平位移發(fā)生在橋樁頂部。就地固化結(jié)合水泥土攪拌樁復(fù)合地基方案比水泥土攪拌樁復(fù)合地基方案能更好地控制樁身位移，路堤填筑完畢3 年內(nèi)橋樁的水平位移無(wú)明顯變化。

2）根據(jù)撓曲線近似微分方程和數(shù)值計(jì)算得到的樁身位移或轉(zhuǎn)角可以求出樁身彎矩。在樁身彎矩較大位置范圍內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)配筋。實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)盡量避免非對(duì)稱路堤填筑工況的出現(xiàn)。