張萬鵬，郝成英，陳林

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶市 400041；2.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司)

1 前言

近年來，隨著中國基礎(chǔ)設(shè)施的不斷發(fā)展和完善，大量橋梁建設(shè)在城市和農(nóng)村中。在既有橋梁運(yùn)營過程中，后期實施工程將可能與橋梁相交，在既有橋下修建公路、建筑或公園等公共設(shè)施。橋下各類工程實施易產(chǎn)生對橋梁下部結(jié)構(gòu)的堆載作用，將會對既有橋梁產(chǎn)生影響并對橋梁安全構(gòu)成威脅，甚至引發(fā)橋梁安全事故。表1為幾起近年來由堆載作用而造成的橋梁安全事故。

表1 橋梁受損安全事故

針對上述橋梁安全事故，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了系列研究。宋寧等通過工程實例研究橋梁結(jié)構(gòu)損傷發(fā)現(xiàn)橋側(cè)堆載會使橋墩和上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一系列變位和損傷；孫宗磊等通過對某既有橋梁下穿橋梁的建設(shè)工程提出新建橋梁的基礎(chǔ)對周圍土層產(chǎn)生的附加應(yīng)力會引發(fā)既有橋梁的基礎(chǔ)發(fā)生沉降變形；黃清、張浩等從軟件分析和工程實例的角度驗證了堆載是引起墩柱偏移的主要原因；馮忠居等研究提出了當(dāng)橋下堆載不可避免時，可采用減載、排水、支擋工程的防護(hù)措施保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全。堆載引起的橋梁墩柱偏移受堆載大小、與墩柱的距離、地基土質(zhì)等多種因素影響，墩柱單側(cè)受到堆載作用可能發(fā)生橋梁下部結(jié)構(gòu)的偏移及沉降。該文結(jié)合某大橋建成后的填筑工程及相應(yīng)橋墩護(hù)筒結(jié)構(gòu)防護(hù)措施，通過該填筑工程引起的堆載作用下護(hù)筒結(jié)構(gòu)靜力分析及施工過程分析驗證該護(hù)筒防護(hù)結(jié)構(gòu)的受力安全可靠性。

2 工程背景

圖1為某既有大橋立面圖，后期景觀填筑工程將在橋下進(jìn)行標(biāo)高229.5 m平場。各橋墩后期最大回填土高度為7.8～17.8 m。該大橋現(xiàn)狀樁頂覆土為0～3.7 m，橋墩為雙柱式橋墩，直徑為1.8 m。

3 護(hù)筒防護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造

既有橋下進(jìn)行高回填時，由于回填土堆載對橋墩的作用，將對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。故相應(yīng)防護(hù)措施為設(shè)計一種可將回填土與橋梁下部結(jié)構(gòu)完全隔離開的橋墩護(hù)筒結(jié)構(gòu)，從而避免橋墩樁基受到堆載的直接影響。當(dāng)護(hù)筒沒有發(fā)生斷裂、傾倒或過大變形時，橋體完全不受堆載作用，從而實現(xiàn)保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)不受堆載影響的目的。該護(hù)筒結(jié)構(gòu)主要承受防護(hù)填土作用下的不均勻側(cè)向力影響，未考慮由于高填方荷載作用下的基礎(chǔ)可能下沉，故主要適用于端承樁或其他支承于巖質(zhì)地基基礎(chǔ)形式的橋墩防護(hù)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 某大橋堆土填筑工程(單位：mm)

護(hù)筒設(shè)置在橋墩周圍，與橋墩保持一定的隔離空間。采用上小下大的階梯護(hù)筒構(gòu)造形式，并考慮承載力采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，材料為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在施工方面，護(hù)筒的澆筑可采用分層澆筑或一次性澆筑的方法；土體回填采用均勻分層回填并壓(夯)實，以減小土體回填時的不均勻影響。若設(shè)有墩間橫系梁，應(yīng)同時設(shè)置護(hù)套結(jié)構(gòu)，避免回填土直接作用在系梁上，如圖3所示，護(hù)套與系梁上下部空隙分別為30、10 cm。

4 堆載作用下護(hù)筒結(jié)構(gòu)分析

填筑平場工程由于采用護(hù)筒防護(hù)結(jié)構(gòu)，故填土完成后護(hù)筒環(huán)側(cè)所受土壓力相比通常單側(cè)堆載情況時基本對稱，明顯的不均衡側(cè)向土壓力主要發(fā)生在其填土及壓實過程中。通過護(hù)筒結(jié)構(gòu)靜力分析和填筑施工過程分析來驗算堆載產(chǎn)生的附加土應(yīng)力作用下護(hù)筒的可靠性及填土過程中的不均衡壓力影響。

圖2 護(hù)筒結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

圖3 橋墩系梁防護(hù)結(jié)構(gòu)立面圖(單位：cm)

4.1 單個護(hù)筒的結(jié)構(gòu)靜力分析

填筑工程中以最大填筑土體高度6#橋墩處護(hù)筒的受力為最不利(此時填筑高度為17.8 m)，故僅對6#護(hù)筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算分析即可。

4.1.1 最不利分析荷載

分析荷載考慮為6#橋墩處的最不利填筑土體的附加土應(yīng)力，護(hù)筒兩側(cè)考慮0.5 m填筑高差。此外，回填夯實過程的夯實機(jī)械自重和動應(yīng)力的影響將會對護(hù)筒產(chǎn)生附加側(cè)壓力。碾壓機(jī)械按20 t小型靜力式夯實機(jī)械計算。由于該橋所處地區(qū)降雨較多，故考慮降雨情況影響。降雨情況下土體內(nèi)摩擦角依據(jù)經(jīng)驗取正常情況下內(nèi)摩擦角的90%，計算重度取浮重度。

4.1.2 分析參數(shù)

材料的各項參數(shù)見表2。

4.1.3 計算圖式

在最不利工況下，即護(hù)筒在兩側(cè)填筑土體壓力下，將護(hù)筒假定為一懸臂樁受力狀況，由于采用填土法故護(hù)筒右側(cè)填土比左側(cè)高0.5 m，護(hù)筒的計算圖示見圖4。

表2 材料參數(shù)

圖4 護(hù)筒計算圖式(單位：m)

4.1.4 抗彎強(qiáng)度驗算及水平向裂縫寬度驗算

抗彎強(qiáng)度及水平裂縫驗算時，護(hù)筒兩側(cè)土壓力均考慮為被動土壓力，碾壓機(jī)械引起的附加土壓力則將車輪荷載擴(kuò)散的荷載考慮為主動土壓力。護(hù)筒兩側(cè)被動土壓力Ep和車輪荷載引起的壓力Ea1計算公式如下：

(1)

式中:γ為土的重度；H為土體的高度；q為機(jī)械車輛荷載；Kp為被動土壓力系數(shù)；Ka為主動土壓力系數(shù)。

根據(jù)各個變截面處截面尺寸及配筋情況，求出相應(yīng)左、右側(cè)土壓力值，進(jìn)而求出承載能力極限狀態(tài)下護(hù)筒變截面處的彎矩值M。參考文獻(xiàn)[6]方法計算短期效應(yīng)組合引起的開裂截面縱向受拉鋼筋的應(yīng)力σss，再根據(jù)公路橋規(guī)求出最大裂縫寬度?？箯潖?qiáng)度及裂縫的驗算截面取A-A截面(8 m處變截面)、B-B截面(13.5 m處變截面)、C-C截面(18.3 m處變截面)。護(hù)筒抗彎強(qiáng)度及裂縫寬度驗算結(jié)果見表3。

表3 護(hù)筒抗彎強(qiáng)度及水平向裂縫寬度驗算結(jié)果

4.1.5 護(hù)筒穩(wěn)定性驗算

穩(wěn)定性驗算時，考慮到護(hù)筒右側(cè)土壓力及車輛荷載產(chǎn)生的土壓力比左側(cè)大，故右側(cè)受力按主動土壓力計算，左側(cè)按被動土壓力計算。護(hù)筒右側(cè)主動土壓力Ea2計算式為：

進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定驗算時認(rèn)為護(hù)筒底面右側(cè)點(diǎn)(圖4中O點(diǎn))為最危險點(diǎn)。求出左、右側(cè)土壓力及車輪荷載擴(kuò)散土壓力值進(jìn)而得出傾覆和穩(wěn)定力矩，參考GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》取抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為1.6，故護(hù)筒的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)需符合下式：

(2)

式中：Kt為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；Md為穩(wěn)定力矩(由左側(cè)被動土壓力計算得)；Mq為傾覆力矩(由右側(cè)土壓力和車輪荷載、護(hù)筒自重對點(diǎn)O力矩計算得)。

進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性驗算時，參考規(guī)范取抗滑移穩(wěn)定安全系數(shù)為1.3。護(hù)筒抗滑系數(shù)用基底與土之間的摩擦力和左側(cè)被動土壓力水平向值之和同右側(cè)被動土壓力水平向值的比表示，應(yīng)滿足下式：

(3)

式中：μ為土對基底摩擦系數(shù)(參考規(guī)范[11]取0.45)；G為護(hù)筒每延米自重；Ep、Ea1、Ea2分別為左側(cè)被動土壓力、右側(cè)主動土壓力、車輛荷載壓力；δ為土對墻背摩擦角(參考規(guī)范[11]取0.5ψ，ψ為砂性土內(nèi)摩擦角，見表2)。

計算得護(hù)筒抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)Kt=10.2>1.6，抗滑穩(wěn)定系數(shù)Ks=26.6>1.3，同理求出降雨情況下的穩(wěn)定系數(shù)Kt=4.6>1.6，Ks=17.4>1.3，故抗滑穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

4.1.6 地基承載力驗算

通過計算護(hù)筒受到的豎向土壓力和護(hù)筒自重來計算護(hù)筒底部應(yīng)力，即地基承載力。分別求得正常情況和降雨情況下的護(hù)筒底應(yīng)力σ0為363、269 kPa，均小于地基承載力特征值400 kPa，故護(hù)筒底面土基承載能力滿足要求。

4.2 填筑施工過程中堆載作用分析

4.2.1 參數(shù)選取

通過Midas GTS NX有限元分析6#橋墩護(hù)筒在填土堆載、機(jī)械荷載等作用下分層填筑施工過程等工況下的橋墩護(hù)筒力學(xué)與變形行為。有限元分析模型材料中填土為砂性土，土體選用理想彈塑性莫爾-庫侖模型、護(hù)筒結(jié)構(gòu)選用線彈性模型，具體參數(shù)根據(jù)工程勘察狀況及施工用料選取，見表2。

4.2.2 分析工況

根據(jù)填筑方式、機(jī)械位置及重量等確定如下分析工況：工況1：護(hù)筒底部原狀土作為初始應(yīng)力狀態(tài)；工況2：澆筑鋼筋混凝土護(hù)筒；工況3：回填護(hù)筒埋深原狀土；工況4～11：按每層2 m分層填上部砂土；工況12：護(hù)筒兩側(cè)填土0.5 m高差，兩排護(hù)筒之間填土1.3 m，護(hù)筒外側(cè)填土1.8 m，在護(hù)筒填土較高側(cè)將機(jī)械荷載以壓力荷載形式施加。

4.2.3 計算模型

根據(jù)填筑工程平場標(biāo)高與既有結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，并考慮實際地形和地質(zhì)情況的影響建立以鋼筋混凝土護(hù)筒和周圍巖土為研究對象的三維空間彈塑性有限元模型。

4.2.4 施工過程中護(hù)筒受力分析

(1)護(hù)筒應(yīng)力：不同分析工況下護(hù)筒的應(yīng)力如圖5所示。

圖5 護(hù)筒應(yīng)力變化圖

由圖5可知：護(hù)筒在分層回填過程中拉壓應(yīng)力值呈逐漸上升狀態(tài)，且處于工況12時的受力最為不利，此時護(hù)筒最大拉應(yīng)力為1.74 MPa，最大壓應(yīng)力為4.28 MPa，均未超過C30混凝土允許強(qiáng)度值。

(2)護(hù)筒位移：不同分析工況下護(hù)筒的位移如圖6所示。

由圖6可知：① 護(hù)筒在施工過程中的縱橋向位移很小，橫橋向位移隨施工的進(jìn)行不斷增大。當(dāng)處于工況12時達(dá)到最不利狀態(tài)，此時護(hù)筒最大縱橋向位移為8.02 mm，最大橫橋向位移為110.79 mm，因為護(hù)筒與橋墩間距為80 cm，故水平向變形對橋墩無影響;② 護(hù)筒在豎向的變形位移遠(yuǎn)大于水平位移，其豎向位移隨著回填施工的進(jìn)行不斷增大且漲幅較大，護(hù)筒豎向變形在工況12下達(dá)到最大。故若既有橋梁設(shè)有橋墩系梁，應(yīng)考慮豎向變形對系梁防護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。建議處理方法有兩種：① 在設(shè)計和施工防護(hù)結(jié)構(gòu)時，在系梁上方與防護(hù)結(jié)構(gòu)下壁間留有大于豎向沉降變形的足夠空間；② 在回填至系梁位置時再施工系梁的防護(hù)結(jié)構(gòu)，此時該部位的最終沉降將不再是從施工一開始的累計變形，而是從系梁防護(hù)結(jié)構(gòu)施工后的部分累計變形。

圖6 護(hù)筒位移變化圖

由于該工程6#墩左幅設(shè)置有墩間系梁，該系梁標(biāo)高為220.2 m?？紤]到混凝土的硬化時間，系梁護(hù)筒在回填標(biāo)高至217.7 m澆筑，即分析工況7。工況7與12之間的累計豎向位移差即為該系梁護(hù)套澆筑后在回填施工過程中最不利工況下的沉降變形計算值。橋墩護(hù)筒及系梁護(hù)套相對橋墩發(fā)生了199.763 mm的累計沉降，小于30 cm(系梁護(hù)套與系梁間空隙)。

上述結(jié)構(gòu)分析表明：橋墩護(hù)筒在分層填筑施工過程中，沒有發(fā)生過大變形、混凝土開裂或壓碎等現(xiàn)象。該工程現(xiàn)已實施完成，實踐證明在該高填方土體作用下，橋墩護(hù)筒防護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效地確保橋梁結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)論及建議

當(dāng)橋下堆載不可避免時，須采用相應(yīng)堆載支擋工程等措施以防安全事故發(fā)生。該文以某既有大橋的填筑工程及相應(yīng)防護(hù)措施為背景，通過堆載作用下的防護(hù)結(jié)構(gòu)靜力分析與堆載施工過程有限元分析，對該結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行驗算，得出以下結(jié)論及建議：

(1)實際工程案例分析驗證了針對既有橋梁下堆載提出的橋墩隔離性護(hù)筒結(jié)構(gòu)防護(hù)的可靠性，該護(hù)筒結(jié)構(gòu)可以作為一種橋下高填方土體堆載時的工程安全措施。

(2)該護(hù)筒結(jié)構(gòu)的工作原理是將堆載對橋梁的作用轉(zhuǎn)移到與橋梁結(jié)構(gòu)無直接接觸的外圍防護(hù)結(jié)構(gòu)中，通過隔離堆載作用的方式避免堆載附加土壓力對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)護(hù)筒沒有發(fā)生斷裂、傾倒或過大變形時，橋梁結(jié)構(gòu)完全不受堆載的影響。

(3)堆載過程分析表明：鋼筋混凝土橋墩護(hù)筒的最不利工況發(fā)生在堆載高度最大時，此時的拉壓應(yīng)力值與變形位移均為最大。

(4)護(hù)筒在堆載作用下，其豎向位移遠(yuǎn)大于水平位移。故若設(shè)有墩間橫系梁，應(yīng)考慮系梁防護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。建議通過增大系梁與護(hù)套的間隙或采用后期澆筑系梁護(hù)套(當(dāng)堆載工程至系梁護(hù)套處再澆筑護(hù)套)的方法，以保證系梁防護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性。