林 剛 趙 毅 郭帥帥 黃坤雄

(浙江省地礦勘察院，浙江 杭州 310000)

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某道路外側(cè)堆土對(duì)高架橋樁的影響

林 剛 趙 毅 郭帥帥 黃坤雄

(浙江省地礦勘察院，浙江 杭州 310000)

結(jié)合具體工程實(shí)例，在國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果上，通過Plaxis有限元數(shù)值模擬分析了人工堆載對(duì)橋樁的影響，得出了人工堆土對(duì)鄰近橋樁的內(nèi)力與位移變化規(guī)律，得到的結(jié)論與前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合，對(duì)今后施工具有一定的指導(dǎo)意義。

堆土，橋樁，位移，樁基

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和城市化進(jìn)程的加快，由于土地規(guī)劃和道路綠化等原因，在建筑物或道路橋梁附近人工堆土成為一種常見現(xiàn)象。在我國(guó)東南軟土地區(qū)，道路橋梁一般采用樁基礎(chǔ)，但其抗側(cè)移剛度較差，臨近的人工堆土?xí)黾訕痘膫?cè)向變形并產(chǎn)生附加彎矩[1]。因此，這種堆載對(duì)橋梁樁基的不利影響應(yīng)引起技術(shù)人員的高度重視。

關(guān)于橋梁周邊堆土對(duì)樁基的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或室內(nèi)試驗(yàn)等[2-4]進(jìn)行過較多研究，普遍得到相一致的結(jié)論，即在樁基側(cè)面進(jìn)行不均勻堆載會(huì)使軟土地基產(chǎn)生側(cè)向變形，進(jìn)而導(dǎo)致樁基偏位，對(duì)整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響[5]。由此可見，當(dāng)預(yù)期堆載過大時(shí)分析判斷堆載對(duì)樁基的影響對(duì)工程設(shè)計(jì)及施工都顯得尤為必要。

本文結(jié)合具體工程案例，利用有限元方法對(duì)堆土穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，并進(jìn)一步結(jié)合已有的橋墩變形數(shù)據(jù)，通過PLAXIS軟件模擬橋墩基礎(chǔ)側(cè)方土方堆載，分析臨近堆載對(duì)橋樁的影響，以判斷道路外側(cè)堆土對(duì)高架橋樁是否產(chǎn)生安全影響。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

某機(jī)場(chǎng)路因綠化需要，在地面道路北側(cè)部分地段(K0+895.50 km～K2+664.50 km，七甲閘河與金雞路間)進(jìn)行了人工堆土綠化，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，最大堆土高度為9 m，現(xiàn)堆土已基本完成，實(shí)際堆土最大高度8 m，堆土邊緣離機(jī)場(chǎng)路高架橋墩最近距離約30 m。

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，該工作區(qū)位于沖海積平原，地勢(shì)低平。地表為層厚不等的填土；淺部地層為沖海積相、沖積相，灰色、灰黃色粉土、粉砂，稍密～中密，厚約9.2 m～18.3 m；中部為海積流塑淤泥質(zhì)土，厚度約4.8 m～16.3 m，具層理，夾薄層粉土、粉細(xì)砂；其下為灰綠色、灰黃色沖湖積相，可塑～硬塑粉質(zhì)粘土，厚度1.8 m～9.6 m；中下部為沖積粉細(xì)砂、圓礫、卵石等，灰色、灰黃色，中密～密實(shí)狀，厚度較大，厚度約19.5 m～35.4 m；底部為白堊系砂礫巖，局部差異風(fēng)化明顯，中風(fēng)化層夾強(qiáng)風(fēng)化碎塊狀，偶夾粉砂巖。評(píng)價(jià)區(qū)典型工程地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

工作區(qū)地下水主要為松散巖類孔隙水和紅層裂隙孔隙水兩類。根據(jù)松散巖類地下水賦存條件分析，工作區(qū)內(nèi)主要為松散巖類孔隙潛水、孔隙承壓水，孔隙潛水主要分布于淺層粉土、粉砂層，其透水性稍好，受地層中上部的海積相淤泥質(zhì)粘性土、粉質(zhì)粘土的阻斷，該層孔隙潛水無承壓性，與地表水體聯(lián)系緊密，受大氣降水和洪水期補(bǔ)給，也與地表徑流互相側(cè)向補(bǔ)給，徑流緩慢?？紫冻袎核植荚谏暗[石層中，透水性好，承壓水地下徑流緩慢，側(cè)向和垂向補(bǔ)給均有限，一般以人工深井開采為主要排泄途徑。紅層裂隙孔隙水主要賦存于白堊系的砂礫巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等巖體中，埋藏于平原深部，主要充填于風(fēng)化裂隙以及半膠結(jié)～微膠結(jié)的粉砂巖、砂礫巖裂隙孔隙中，水量貧乏，分布不均勻，單井涌水量8 t/d～65 t/d，水位埋深一般0.5 m～3.13 m。

1.3 堆土基本特征

該堆土主要用于路邊綠化，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，最大堆土高度為9 m，堆土底寬一般85 m～95 m間，實(shí)際堆土最大高度約8 m，堆土邊緣離機(jī)場(chǎng)路高架橋墩最近距離約30 m，堆土堆載坡度一般不大于15°，堆土上有3 m寬的人行道路(園路)設(shè)置。部分堆土現(xiàn)狀如圖2所示，堆土的典型剖面如圖3所示。

2 堆土穩(wěn)定性分析

2.1 分析方法

目前，堆土周邊已建成的構(gòu)筑物主要為道路，包含機(jī)場(chǎng)路、博奧路、金雞路等，除機(jī)場(chǎng)路為高架橋路外均為地面道路，堆土對(duì)地面道路影響較小，因此，本處主要分析堆土對(duì)機(jī)場(chǎng)高架橋的影響。采用有限元進(jìn)行分析，所用軟件為Plaxis巖土工程有限元分析軟件。

2.2 模型及參數(shù)選取

本工程土體材料與樁土界面采用的是土體硬化模型(HS模型)，不同于理想彈塑性模型，該模型的屈服面在主應(yīng)力空間中不是固定的，而是隨著塑性應(yīng)變的發(fā)生而擴(kuò)張。HS模型是一個(gè)可以模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型土體行為的先進(jìn)模型，模擬結(jié)果與實(shí)際情況吻合較好，并且應(yīng)用廣泛。

HS模型的計(jì)算參數(shù)主要根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告取用，部分參數(shù)通過地勘報(bào)告結(jié)合理論、經(jīng)驗(yàn)及軟件說明中的公式進(jìn)行推導(dǎo)反演分析獲得，詳見表1。除此之外，土體HS模型相關(guān)參數(shù)還包括：Eoed=0.9ES～1.0ES；E50=2Eoed(淤泥質(zhì)土)，E50=Eoed(粉砂土)；Eur=3E50。材料參數(shù)取值詳見表2。

表1 土體參數(shù)表

表2 材料計(jì)算取值參數(shù)

根據(jù)表1，將鄰近相似土層進(jìn)行了合并，簡(jiǎn)化后將模型土層分7層。土體材料與樁土界面采用土體硬化模型，樁土單元均采用高精度的15節(jié)點(diǎn)三角形等參單元，樁土界面采用Goodman單元。對(duì)高架橋樁基，考慮到其為混凝土結(jié)構(gòu)，彈性模量大，受力后主要表現(xiàn)為彈性變形，因此選用彈性模型進(jìn)行模擬。

2.3 有限元模型

根據(jù)堆土分布特征，本次計(jì)算選取了K1+431.5，K1+814.5和K2+94.5處的橋墩作為計(jì)算對(duì)象(分別對(duì)應(yīng)1—1′剖面、2—2′剖面、3—3′剖面)，分別進(jìn)行數(shù)值模擬，分析周邊堆土對(duì)橋樁基礎(chǔ)變形和內(nèi)力的影響。

以1—1′剖面為例，建立的有限元計(jì)算模型如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)劃分圖如圖5所示。模型計(jì)算長(zhǎng)度水平方向取170 m，豎直方向自地表向下取80 m。模型兩側(cè)水平約束(水平方向固定，豎直方向自由)，底邊豎向及水平約束(水平、豎直方向固定)。

模型分析步驟為:1)初始應(yīng)力場(chǎng)生成；2)激活承臺(tái)、橋樁結(jié)構(gòu)和承臺(tái)頂部荷載；3)位移清零；4)激活外側(cè)堆土和臨近荷載。經(jīng)計(jì)算，外側(cè)堆土和臨近荷載激活工況下的位移云圖、橋樁位移和橋樁彎矩圖分別如圖6，圖7和圖8所示。圖7中A樁、B樁、C樁分別為1—1′剖面下從左往右三根橋樁。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)1—1′剖面、2—2′剖面、3—3′剖面的計(jì)算結(jié)果，橋樁的最大變形、彎矩、剪力如表3所示。可見，橋樁最大的樁身彎矩和最大樁身剪力均出現(xiàn)在1—1′剖面，最大樁身彎矩為263.6 kN·m，最大樁身剪力-214.8 kN。橋樁最大水平位移出現(xiàn)在樁頂以下5 m～10 m范圍，彎矩較大位置基本出現(xiàn)在樁頂至樁頂以下10 m范圍。距離側(cè)方堆土最近的樁水平位移相對(duì)較大，距離堆土較遠(yuǎn)的樁水平位移相對(duì)較小。對(duì)于同一個(gè)剖面，A樁和C樁的樁身彎矩和剪力相對(duì)較大，中間位置的B樁樁身彎矩和剪力相對(duì)較小。

表3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

剖面號(hào)最大水平位移/mm最大樁身彎矩/kN·m最大樁身剪力/kN1—1'3.49263.6-214.82—2'2.83189.7-147.33—3'2.95209.296.0

3 結(jié)語(yǔ)

在軟土地區(qū)，人工堆土對(duì)高架橋樁基影響的有限元數(shù)值模擬表明：

1)距離側(cè)方堆土最近的樁水平位移相對(duì)較大，距離堆土較遠(yuǎn)的樁水平位移相對(duì)較小。2)對(duì)于同一個(gè)剖面，兩邊位置的樁的樁身彎矩和剪力相對(duì)較大，中間位置的樁身彎矩和剪力相對(duì)較小。3)工作區(qū)堆土產(chǎn)生的彎矩和剪力對(duì)高架樁基礎(chǔ)的影響相對(duì)較小，處于可控狀態(tài)。4)結(jié)合實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)，堆土附近的機(jī)場(chǎng)路橋墩未出現(xiàn)明顯的位移，橋梁的安全未受到影響，這與數(shù)值模擬的結(jié)果基本吻合。

[1] 李志偉,楊建學(xué),俞 偉,等.軟土地基堆載對(duì)橋梁樁基影響及保護(hù)分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2016(7):81-85.

[2] 聶如松,冷伍明,律文田.軟基臺(tái)后路基填土對(duì)橋臺(tái)樁基側(cè)向影響的試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2005,27(12):1487-1490.

[3] 李仁平,陳云敏,陳仁朋.軟基中橋頭路基對(duì)鄰近樁基的影響分析[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2001,14(3):73-77.

[4] 蔡國(guó)軍,劉松玉.軟基上橋頭路基填筑對(duì)橋臺(tái)樁的影響研究綜述[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(12):1487-1490.

[5] 謝洪濤,楊春和.軟基側(cè)向變形對(duì)鄰近橋臺(tái)及樁基的影響和防治[J].巖土力學(xué),2002,23(6):742-746.

The analysis of soil stability on the lateral surface of a road and its effect on the overhead bridge pile

Lin Gang Zhao Yi Guo Shuaishuai Huang Kunxiong

(ZhejiangGeologyandMineralResourcesExplorationInsitute,Hangzhou310000,China)

In this paper, combined with specific engineering example, the research results of scholars at home and abroad, through the Plaxis finite element numerical simulation analysis of the effect of artificial heap load on the bridge pile, the artificial pile soil is obtained the change law of internal force and displacement of adjacent bridge pile. The conclusion is consistent with the previous monitoring data, and has some guiding significance for future construction.

pile soil, bridge pile, displacement, pile foundation

1009-6825(2017)15-0070-03

2017-03-06

林 剛(1985- )，男，工程師

U448

A