田忠青

(安徽省港航建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230011)

地面堆載對現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)的影響分析

田忠青

(安徽省港航建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230011)

地面堆載對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，最直觀的反應(yīng)是使橋墩發(fā)生水平位移。采用加拿大Geo-Slope公司的Geo-Studio軟件的SIGMA/W模塊對現(xiàn)有橋梁進(jìn)行計算分析，通過數(shù)值模擬計算堆載作用下橋墩的水平位移，以驗證其對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。并根據(jù)計算結(jié)果，得出堆載距離現(xiàn)有橋梁的最小安全距離。

地面堆載；現(xiàn)有橋梁；結(jié)構(gòu)分析；堆載距離

近年來,因人為因素造成既有橋梁基礎(chǔ)周邊土體擾動,從而影響橋梁結(jié)構(gòu)安全的案例普遍存在。對橋梁而言,在橋墩附近違章堆載,會造成橋墩發(fā)生傾斜,進(jìn)而傳遞至樁基礎(chǔ)和橋梁上部結(jié)構(gòu),從而影響橋梁結(jié)構(gòu)安全[1-2]。

既有橋梁樁基周圍原則上不允許堆放荷載或修建筑物或地面結(jié)構(gòu)物,因為堆載將大幅增加地基附加應(yīng)力,從而增加地基固結(jié)沉降量,破壞樁基地基的固結(jié)平衡狀態(tài),改變樁基的受力模式[3-4]。

本文以某橋梁為背景,通過數(shù)值模擬計算堆載作用下橋墩的水平位移,以驗證其對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。并根據(jù)計算結(jié)果,得出堆載距離現(xiàn)有橋梁的最小安全距離,以期為同類工程提供參考。

1 工程背景

某橋梁上部結(jié)構(gòu)8×25 mT梁+25.1 mT梁+24.9 mT梁+2×22.5 mT梁+18.35 mT梁+82 m下承式系桿拱+24.62 mT梁+11×25 mT梁,設(shè)計橋梁全長702.53 m,寬10.0 m。其主要病害為受第20跨外側(cè)砂堆影響(圖1、圖2),第六聯(lián)(第19～22跨)

圖1 第20跨外側(cè)砂堆

圖2 上部T梁橫向偏位

T梁整體有較明顯扭轉(zhuǎn),且因梁偏移,對橋梁支座、伸縮縫、擋塊和蓋梁等構(gòu)件均有不同程度的損壞。砂堆面積約1 000 m2,堆高約6.7 m。

2 原理及參數(shù)選取

2.1 計算原理

數(shù)值計算采用加拿大Geo-Slope公司的Geo-Studio軟件的SIGMA/W模塊。對于一個給定的時間增量,SIGMA/W的有限元方程表示為

(1)

其中,[B]表示應(yīng)變-位移矩陣;[C]表示本構(gòu)關(guān)系矩陣;{a}表示節(jié)點增量的x、y位移列向量;〈N〉表示插值函數(shù)的行向量;A表示沿單元邊界的面積;v表示單元體積;b表示單位體力強度;p表示增加的表面壓強;{Fn}表示集中節(jié)點增加荷載。

2.2 地層信息

根據(jù)勘察,計算斷面各地層信息如圖3所示。樁基位置的土層自上而下是粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與粉砂互層、粉質(zhì)黏土和卵石。

圖3 土層分布

2.3 計算參數(shù)的選取

采用軟件建立模型,計算初始應(yīng)力場;然后加載沙堆。底部為固支約束,兩側(cè)為水平約束。橋梁上部荷載按恒載計。

土體參數(shù)采用摩爾庫倫理想彈塑性本構(gòu)模型,混凝土樁采用線彈性模型。土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1,地質(zhì)資料有提供計算參數(shù)的,計算參數(shù)按照地質(zhì)資料,或根據(jù)計算實際在地質(zhì)資料基礎(chǔ)上依據(jù)經(jīng)驗公式換算;其余參數(shù)采用規(guī)范推薦值或經(jīng)驗值。土體強度參數(shù)采用固結(jié)不排水指標(biāo)。

表1 計算參數(shù)取值

3 影響分析

從沙堆大小、樁徑、沙堆位置遠(yuǎn)近等方面考慮,考慮不同的工況,研究不同因素的影響程度及敏感性,分析地面堆載對橋梁樁基的影響[5-7]。

各分析工況計算模型(圖4、圖5)如下:

圖4 各工況位移圖

圖5 各工況位移對比圖

3.1 工況一

樁的間距為5 m,樁徑1.5 m;沙堆高度6.7 m,坡度1∶1,沙堆底長30 m。

計算結(jié)果表明,最大水平位移81 mm,發(fā)生在地面以下、樁的上端,水平位移自上而下逐漸減小,樁底水平位移為2 mm;最大豎向位移8 mm,豎向位移變化較小。

3.2 工況二

樁的間距為6 m,樁徑1.2 m;沙堆高度6.7 m,坡度1∶1,沙堆底長30 m。計算結(jié)果表明,最大水平位移91 mm,發(fā)生在地面以下、樁的上端,水平位移自上而下逐漸減小;最大豎向位移8 mm,豎向位移變化較小。

3.3 工況三

樁徑為1.5 m,樁間距仍為5 m,沙堆對稱加載。

計算結(jié)果表明,最大水平位移2 mm,左右兩個方向的水平位移方向相反;地面以下最大豎向位移24 mm,豎向位移變化較大。

說明沙堆對稱堆載時,樁基產(chǎn)生的水平位移非常小,幾乎不產(chǎn)生水平位移。

3.4 工況四

樁徑為1.5 m,樁間距仍為5 m,將沙堆外移30 m。

計算結(jié)果表明,最大水平位移55 mm,發(fā)生在橋梁頂部,地面以下部分的最大位移發(fā)生在樁頂,為49 mm;地面以下最大豎向位移4 mm,豎向位移變化較小。

說明沙堆外移30 m時,樁基產(chǎn)生的位移有所減小。

3.5 工況五

樁徑不變,仍為1.5 m,樁間距仍為5 m,將沙堆外移100 m。

計算結(jié)果表明,最大水平位移6 mm,發(fā)生地面以下、樁頂位置;最大豎向位移4 mm,豎向位移變化較小。

說明沙堆外移100 m時,樁基產(chǎn)生的位移大幅減小。

3.6 工況六

樁徑不變,仍為1.5 m,樁間距仍為5 m,將沙堆外移200 m。

計算結(jié)果表明,最大水平位移1.2 mm,發(fā)生地面以下、樁頂位置,水平位移很小;最大豎向位移4 mm,豎向位移變化較小。

說明沙堆外移200 m時,樁基產(chǎn)生的水平位移大幅減小,水平位移基本可以忽略。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

(1) 在堆載作用下,土體因為樁土的相對沉降差而在樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻力,而且由于材料的泊松比和土體剪切應(yīng)力的存在,土體在沉降的過程中必定會產(chǎn)生水平向的變形和位移,進(jìn)而對鄰近樁基施加水平推力[8]。

(2) 經(jīng)過數(shù)值模擬,沙堆的不對稱堆載對橋梁樁基產(chǎn)生了水平位移,且水平位移與樁徑有關(guān),樁徑越小,水平位移越大。當(dāng)樁徑為1.5 m且沙堆靠近橋梁時,產(chǎn)生的樁基最大水平位移為81 mm;當(dāng)沙堆位置不變,樁徑為1.2 m時,產(chǎn)生的橋梁最大水平位移為91 mm。

(3) 沙堆的不對稱堆載對橋梁樁基產(chǎn)生的水平位移還與沙堆距離橋梁的遠(yuǎn)近有關(guān),沙堆離的越遠(yuǎn),產(chǎn)生的樁基水平位移越小[9-10];當(dāng)沙堆距橋梁200 m時,產(chǎn)生的樁基水平距離接近于0,僅為1.2 mm。

(4) 沙堆的堆載對橋梁樁基產(chǎn)生的水平位移沿著樁基自上而下逐漸減小。

(5) 根據(jù)計算結(jié)果,沙堆的堆載對橋梁樁基產(chǎn)生的豎向位移較小,除對稱堆載的工況三外,一般在4～10 mm之間。

4.2 建 議

(1) 立即清理黃砂堆,對橋梁進(jìn)行相關(guān)變形監(jiān)測,并觀測橋梁橫向位移恢復(fù)情況。根據(jù)《公路法》規(guī)定及數(shù)值計算結(jié)果,砂堆距離橋梁的最小安全距離為 200 m。

(2) 待橋梁橫向位移穩(wěn)定后,對橋梁目前存在的病害進(jìn)行必要處理。

[1] 黃 清.地面堆載對既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響分析[J].橋梁建設(shè)，2014，44(5)：39～44.

[2] 閆澍旺，劉子初.堆載對鄰近橋梁結(jié)構(gòu)影響的有限元分析[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2013(3)：1～4.

[3] 馮忠居，張永清，李 晉.堆載引起橋梁墩臺與基礎(chǔ)的偏移及防治技術(shù)研究[J].中國公路學(xué)報，2004(7)：74～77.

[4] 張禮財.堆載作用下既有橋梁群樁基礎(chǔ)承載特性分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2015.

[5] 門小雄.堆載對橋梁樁基承載力特性的影響分析[D].西安：長安大學(xué)，2007.

[6] 劉志明,陳 強,范 俊.堆載法在橋梁基礎(chǔ)糾偏過程中的應(yīng)用[J].公路，2012(11)：35～38.

[7] 周桂梅.堆載滑動對陡坡橋墩與樁基礎(chǔ)力學(xué)特性的影響分析及其工程技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2015.

[8] 劉 陽.堆載作用下黃土沖溝區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)豎軸向承載特性研究[D].西安：長安大學(xué)，2014.

[9] 李志偉.軟土地基鄰近堆載對橋梁樁基偏位的影響研究[J].巖土力學(xué)，2013(12)：3594～3600.

[10] 吳 瓊，陳錦劍.樁側(cè)堆載作用下被動樁受力性狀研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2010(6)：62～65.

2016-07-06

田忠青(1965-)，男，安徽霍邱人，安徽省港航建設(shè)投資集團(tuán)有限公司高級工程師．

U442.59

A

1673-5781(2016)04-0480-03