胡國璽，白 皓，劉 寶，徐海銘，張禮財(cái)

(1. 四川高速公路建設(shè)開發(fā)總公司， 四川成都 610041;2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

大面積棄渣對既有橋梁樁基的影響性分析

胡國璽1，白 皓1，劉 寶2，徐海銘1，張禮財(cái)2

(1. 四川高速公路建設(shè)開發(fā)總公司， 四川成都 610041;2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

土質(zhì)地基上既有橋梁樁基對大面積棄渣偏載的擾動高度敏感，因此深入分析棄渣大小與距離的影響性十分必要。文章基于三維數(shù)值計(jì)算方法，建立橋梁樁基計(jì)算模型，分析大面積棄渣的影響性。計(jì)算結(jié)果表明：大面積棄渣易導(dǎo)致地基土發(fā)生豎向和側(cè)向變形，使既有樁基承受較大的附加荷載甚至開裂折斷，其破壞現(xiàn)象首先發(fā)生于土層中樁體上；樁基內(nèi)力、變形與棄渣高度呈線性關(guān)系，與相隔距離呈二次函數(shù)關(guān)系，當(dāng)距離達(dá)到10～15 m時(shí)棄渣偏載的影響就相對較小。

大面積棄渣； 橋梁樁基； 數(shù)值計(jì)算； 影響

近年來，隨著我國各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和城市建設(shè)的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生了大量的建筑棄渣，將其違規(guī)丟棄于既有構(gòu)筑物附近的現(xiàn)象越來越多[1-2]。大面積棄渣對臨近橋梁樁基的工作性狀產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[3]，易導(dǎo)致較大變形或破壞(圖1)，并且其對線路正常運(yùn)營的影響很大。大面積棄渣對臨近既有樁基的影響主要表現(xiàn)在[4]：⑴大面積棄渣引起地基發(fā)生豎向固結(jié)沉降，使樁身承受負(fù)摩阻力并產(chǎn)生附加沉降，從而導(dǎo)致橋梁不均勻變形；⑵大面積棄渣中心部分地基以豎向沉降為主，而棄渣邊緣部分地基則以豎向沉降和側(cè)向變形為主，臨近棄渣的既有樁基另外還要承受側(cè)向擠壓作用，使樁身發(fā)生撓曲甚至斷裂破壞。目前，大面積棄渣對樁基影響的研究主要集中在負(fù)摩阻力[5]或單一工況條件[6]，而針對棄渣荷載大小與分布位置的影響性研究較少，有必要進(jìn)一步深入討論。本文將結(jié)合工程實(shí)例，采用有限元數(shù)值計(jì)算方法，對大面積棄渣情況下臨近既有橋梁樁基的撓曲變形特性、荷載大小與距離的影響等進(jìn)行分析，為此類工程的加固設(shè)計(jì)與施工提供參考。

圖1 某高速公路橋梁樁基被棄渣破壞

1 數(shù)值計(jì)算模型

選取成都平原地區(qū)某典型工況建立計(jì)算模型。利用ABAQUS軟件建立三維有限元計(jì)算模型，沿線路里程取Z向各半跨作為模型計(jì)算范圍，建立地基模型X方向長為50 m，Y方向高度為20 m(不含棄渣厚度)，Z方向?qū)挾葹?0 m。橋梁樁基采用實(shí)體單元模擬，1#與2#樁基中部采用系梁連接、頂部采用蓋梁連接；巖土體也采用實(shí)體單元模擬，其中棄渣與土體服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，下部卵石層采用線彈性模型，均按六面體單元進(jìn)行離散。邊界條件設(shè)置時(shí)，模型橫向斷面和縱斷面上X、Z方向約束法向位移，底部約束X、Y、Z方向位移。計(jì)算模型共有33 768個(gè)單元，計(jì)算模型如圖2所示，各計(jì)算參數(shù)取值如表1所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型(L=0 m)

地層密度/(kN·m-3)壓縮模量/MPa彈性模量/MPa泊松比粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/°棄渣183．5400．3658黏土217．61200．263918粉質(zhì)黏土19．55．4900．282216卵石層17．5-1500．25035

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 樁基受力變形分析

以“棄渣高度H為10 m、距離L為0 m”為樁基受力變形分析工況，1#樁基計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

(a)彎矩與剪力 (b)位移與軸力 圖3 樁基內(nèi)力與變形分布

棄渣偏載作用下地基土體主要發(fā)生了側(cè)向擠壓變形和豎向沉降變形。地基側(cè)向變形則增加了樁基側(cè)向載荷，從而使樁基產(chǎn)生了較大的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形，其彎矩極值出現(xiàn)于黏土層和粉質(zhì)黏土層交界面附近和地面處，說明土體側(cè)向變形主要發(fā)生于上部黏土層中，據(jù)此可推測樁身開裂破壞的部位，并且當(dāng)樁身直接承受棄渣推力時(shí)樁頂處也將產(chǎn)生較大的內(nèi)力。樁基水平位移最大值出現(xiàn)于樁頂，并偏向棄渣方向，與現(xiàn)場病害情況一致；樁基呈以地基面為轉(zhuǎn)點(diǎn)傾倒變形趨勢(含轉(zhuǎn)動與沉降變形)，這是地基側(cè)向荷載作用于橋梁樁基下部導(dǎo)致的。地基沉降主要來源于黏土層的壓縮變形，從而使樁基承受一定的負(fù)摩阻力，線路橫向和縱向的沉降差異導(dǎo)致橋梁樁基發(fā)生不均勻沉降變形，常引發(fā)橋面開裂。

2.2 棄渣厚度的影響性分析

以“距離L為2.5 m“為基本工況，分析棄渣高度H(4 m、6 m、8 m、12 m、16 m)對既有橋梁樁基受力變形的影響，1#樁基計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示。

(a)彎矩 (b)水平位移圖4 不同棄渣厚度下樁基內(nèi)力變形分布

(a)彎矩 (b)水平位移圖5 不同棄渣厚度下樁基內(nèi)力變形變化

當(dāng)棄渣厚度較小時(shí)，樁基的橫向變形和內(nèi)力相對較小，也相對接近。隨著棄渣厚度的增大，土體變形也顯著增加，樁身所承擔(dān)荷載也隨之呈線性增長，從而導(dǎo)致樁基變形與內(nèi)力均變大。計(jì)算工況僅考慮棄渣通過地基土變形間接作用于樁基，所以土層中樁基彎矩明顯大于系梁以上樁基的彎矩，最大值出現(xiàn)于黏土層和粉質(zhì)黏土層交界處(即C高程)，且隨著棄渣厚度的增加土層中樁體彎矩比其他部位的彎矩增大更快。

2.3 相距長度的影響性分析

以“棄渣高度H為10 m”為基本工況，分析距離L(5 m、7.5 m、10 m、15 m、20 m、25 m)對既有橋梁樁基受力變形的影響，1#樁基計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7所示。

(a)彎矩 (b)水平位移圖6 不同距離下樁基內(nèi)力變形分布

(a)彎矩 (b)水平位移圖7 不同距離下樁基內(nèi)力變形變化

不同距離下樁基內(nèi)力變形分布與上述結(jié)果基本相同，但是隨著距離的增加樁體彎矩與水平位移呈二次曲線減小。棄渣距離樁基越遠(yuǎn)時(shí)，擴(kuò)散到樁身的附加應(yīng)力也相應(yīng)較小，內(nèi)力與變形也明顯降低，當(dāng)距離超過10 m時(shí)這種現(xiàn)象就更加顯著。研究表明，隨著距離的增大，樁身水平位移呈現(xiàn)出短樁的變形特征，但是本文計(jì)算結(jié)果表明隨著距離的增加樁底變形量反而超過了樁頂變形，說明隨著距離的增大，樁底仍然受到堆載深層擴(kuò)散的影響，尤其是在深厚軟土地區(qū)。

2.4 橋面開裂成因分析

橋梁樁基不均勻沉降是造成橋面開裂的原因，其主要來源包括橫向不均勻沉降和縱向不均勻沉降。本文主要分析橫向不均勻沉降，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，靠近棄渣一側(cè)的樁基(即1#樁)沉降比另一側(cè)(即2#樁)大。隨著相隔距離的增加，兩樁樁頂沉降差逐漸減小，當(dāng)距離大于15 m時(shí)沉降值及其沉降差近乎

(a)棄渣高度 (b)距離圖8 樁頂沉降變形規(guī)律

為零，此時(shí)可忽略棄渣對樁基受力的影響。隨著棄渣厚度的增加，兩樁樁頂沉降差也越來越大，基本呈線性規(guī)律增大。本文計(jì)算工況下，當(dāng)棄渣厚度H為16m、距離L為2.5m時(shí)，1#和2#樁基樁頂沉降差為4.6mm，橫向樁間距7.2m，此時(shí)蓋梁傾斜率約0.64‰，再加上樁基豎向絕對沉降及其縱向不均勻沉降，將使橋面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力甚至導(dǎo)致開裂。

3 結(jié)論

(1)地基土變形除了導(dǎo)致樁基承受一定的負(fù)摩阻力外，還使其承受一定的橫向載荷，并產(chǎn)生較大的內(nèi)力和變形，從而引起樁基礎(chǔ)的不均勻變形和破壞。

(2)大面積棄渣偏載作用使臨近既有橋梁樁基產(chǎn)生附加彎矩與變形，其與棄渣高度呈線性關(guān)系，與相隔距離呈二次函數(shù)關(guān)系，當(dāng)距離達(dá)到10～15m時(shí)棄渣偏載的影響就較小。

(3)棄渣偏載間接作用于樁基上，變形極大值出現(xiàn)于樁頂，彎矩極大值則位于黏土層和粉質(zhì)黏土層交界處，樁基開裂破壞首先發(fā)生于土層中樁體上。

(4)在大面積棄渣偏載作用下，既有橋梁樁群沿線路縱向和橫向產(chǎn)生嚴(yán)重不均勻變形，易使橋面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力甚至開裂，因此運(yùn)營中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)管，以保證橋梁安全。

[1] 吳健, 王屹峰, 劉開富, 等. 大面積堆載下地下構(gòu)筑物性狀研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2008, 30(9): 1343- 1348

[2] 張曉斌, 姜忻良. 鄰近大面積堆載下某廠房結(jié)構(gòu)的不均勻沉降分析[C]//中國土木工程學(xué)會橋梁及結(jié)構(gòu)工程分會編：第19屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議論文集. 北京: 人民交通出版社, 2012： 426-429

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胡國璽(1982～)，男，工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作；白皓(1984～)，男，工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。

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[定稿日期]2014-12-31