董 亮,蘇永華,袁 磊
(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)公司 鐵道建筑研究所,北京 100081)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,近年來(lái)鐵路大規(guī)模建設(shè)。新建鐵路附近地面堆載往往會(huì)產(chǎn)生較大的沉降和穩(wěn)定問(wèn)題,特別是鄰近樁基堆載,會(huì)對(duì)樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻力、彎矩和水平推力,處理不好會(huì)導(dǎo)致樁身產(chǎn)生裂縫甚至折斷,影響了列車正常運(yùn)行[1-4]。為研究地面堆載對(duì)鄰近橋梁樁基的影響,通過(guò)數(shù)值模擬確定填土對(duì)樁基變位、樁身受水平力、豎向沉降和鄰近環(huán)境沉降影響[5-7]。
一鐵路大橋設(shè)計(jì)為24跨32 m雙線簡(jiǎn)支T梁和1跨24 m 雙線簡(jiǎn)支T梁,全長(zhǎng)827.33 m。一方橋臺(tái)采用雙線空心橋臺(tái),另一方橋臺(tái)采用雙線T形橋臺(tái),簡(jiǎn)支梁橋墩1#—21#墩采用雙線圓端形空心墩,其余均采用雙線圓端形實(shí)心墩,墩臺(tái)基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)(如圖1所示)。該橋于2015年4月開始施工,2016年5月完成鉆孔樁,2017年3月完成架梁,2017年7月完成精調(diào)。回填后地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映該大橋與隧道過(guò)渡段發(fā)生不同程度的偏移。
圖1 部分橋型布置示意(單位:cm)
橋梁西側(cè)為煤礦山體,2012—2013年開始剝采,開挖面位于原始地形沖溝底部以下35 m,8#—18#墩開挖面基本水平,18#墩至隧道洞口段開挖形成臺(tái)階形邊坡,山體前緣開挖形成的坡高約70 m。
該橋址屬低中山丘陵區(qū),原有地形起伏較大,溝谷發(fā)育,下切強(qiáng)烈,大部基巖裸露。地層主要由第四系全新統(tǒng)人工回填土素填土,以砂、泥巖碎塊為主,地層結(jié)構(gòu)松散,主要分布在大橋8#—21#墩,厚度為0~26.5 m;侏羅系下統(tǒng)泥巖,灰白色~深灰色,泥質(zhì)膠結(jié),薄至中層狀構(gòu)造,強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化,層厚2.0~25.9 m;砂巖,灰白色、青灰色,全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化,薄至中厚層狀構(gòu)造,層厚2.0~25.9 m;煤層,黑色,層狀構(gòu)造,泥質(zhì)膠結(jié),強(qiáng)風(fēng)化,節(jié)理裂隙發(fā)育,遇水極易軟化,層厚0.3~7.3 m。
該區(qū)地下水類型主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水,根據(jù)鉆孔揭露,穩(wěn)定水位埋深12.5~40.5 m,地下水主要由大氣降水補(bǔ)給,排泄以蒸發(fā)為主。
巖體的基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 地層物理力學(xué)性質(zhì)
2017年3月開始局部開采,9月開始在橋位南側(cè)100 m外開采煤礦,開采剝離的棄土排在橋位北側(cè)200 m 外的排土場(chǎng)。橋位南側(cè)煤層開采完成后,煤礦開采橋位西側(cè)的隧道進(jìn)口段北側(cè)200 m外煤層,開采剝離的棄土在橋區(qū)范圍內(nèi)回填,回填土從2017年9月上旬開始,11 月中旬結(jié)束。
回填土位置主要在8#—21#墩,回填土高度14~26 m,最大填土在18#墩處。橋位兩側(cè)50 m 區(qū)域底部前兩層回填厚度2 m,其他層填土高度4~5 m?;靥畈捎脙A填法,回填整體順序由西向東,由北向南,未使用壓實(shí)機(jī)械碾壓。2017年11月初,發(fā)現(xiàn)CPⅢ點(diǎn)位發(fā)生偏移。
線路穿越棄土堆,主要為新近堆積素填土。礦坑回填采用煤礦剝采的棄土,以砂、泥巖碎塊為主,夾黃土、煤屑,所占比例70%~80%,粒徑幾厘米至幾米不等,局部含建筑垃圾、混有大量塊石、碎磚。由工程車運(yùn)輸傾倒形成,未進(jìn)行分層壓實(shí)處理,結(jié)構(gòu)松散;回填土內(nèi)部土質(zhì)差異大,不均勻。
在2017年7月至2018年4月期間監(jiān)測(cè)線上平面變形和沉降分布見(jiàn)圖2??芍?,線上順橋向變形主要發(fā)生在13#—23#墩,均為東向偏位,最大偏移量為21#墩處124.9 mm;線上橫橋向變形主要發(fā)生在19#—23#墩,其中19#,21#墩處北向偏位,23#墩處南向偏位,最大偏移量為19#墩處78.6 mm;線上豎向變形主要發(fā)生在7#—17#墩,均為豎向沉降,最大值為15#墩處41.7 mm。
圖2 線上CPⅢ控制點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果
從整體沉降變形的發(fā)展過(guò)程來(lái)看,橋墩變形主要與隧道進(jìn)口處坡體、棄土回填堆填的復(fù)雜作用有關(guān)?;靥疃演d情況對(duì)橋梁樁基的影響包括:①回填堆載和地基推移對(duì)橋梁樁基豎向沉降的影響,故選擇沉降變形較為突出的17#,18#,19#橋墩進(jìn)行分析;②不對(duì)稱回填堆載對(duì)樁基橫向變形的影響,選擇典型的19#橋墩進(jìn)行分析。
考慮順橋向和橫橋向下沉典型的橋墩分別建模分析,順橋向模型選擇17#,18#,19#橋墩(如圖3所示),豎向長(zhǎng)度取樁長(zhǎng)的2倍,深130 m,寬150 m。橫橋向模型選擇19#橋墩(如圖3所示),深85 m,寬71 m。通過(guò)平衡初始地應(yīng)力場(chǎng)和橋墩豎向荷載,分析回填堆載的影響,獲取堆載作用下橋墩樁基沉降變形和應(yīng)力變化;通過(guò)分析地基受山體推移的影響,獲取推移作用下橋墩樁基變形和應(yīng)力變化[8-9]。
圖3 有限元模型
表2 17#,18#,19#墩樁基對(duì)應(yīng)的模型主要參數(shù)
堆載引起的樁基豎向沉降云圖見(jiàn)圖4??芍?個(gè)橋墩中17#墩沉降最大,19#墩沉降最小。
圖4 模型豎向沉降云圖(回填堆載)
不同堆載高度(20,15,10,5 m及實(shí)際高度23 m)引起17#,18#,19#墩墩頂?shù)呢Q向沉降見(jiàn)圖5??芍?,實(shí)際荷載堆載引起17#,18#,19#墩總沉降分別達(dá)到85.8,43.4,20.9 mm。此時(shí)17#,18#,19#墩樁基的最大主應(yīng)力分別為4.3,0.8,0.7 MPa,即堆載引起17#墩樁基主拉應(yīng)力超過(guò)允許值,按照差值法堆載高度超過(guò)13 m 時(shí)17#墩將達(dá)到主拉應(yīng)力容許值。
圖5 不同堆載高度橋墩墩頂豎向沉降
實(shí)測(cè)17#墩墩頂2017年7月—2018年4月期間的沉降為41.4 mm,按照該變形速率預(yù)計(jì)值與計(jì)算值較為接近,故而模型較為可靠。TB 10002.3—2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:有箍筋及斜筋的C30混凝土允許主拉應(yīng)力1.98 MPa,C35混凝土允許主拉應(yīng)力2.25 MPa。
樁基及墩臺(tái)豎向沉降見(jiàn)圖6??芍?,樁基沿深度方向豎向沉降基本一致。
圖6 樁基及墩臺(tái)豎向沉降
圖7 回填堆載和地基推移引起樁基主拉應(yīng)力
同時(shí)施加回填堆載和地基側(cè)面推移引起樁基主拉應(yīng)力見(jiàn)圖7。地基側(cè)面推移是在模型右側(cè)向左側(cè)施加位移。施加的位移分別為20.0,15.0,12.0,10.5,8.0,5.0 cm。
因施加位移距離19#橋墩近,19#橋墩樁基受到的拉應(yīng)力偏大。由圖7可知,對(duì)于19#橋墩,隨著墩頂水平位移的增大,樁基產(chǎn)生的主應(yīng)力也逐漸增大,當(dāng)墩頂水平位移接近10 cm時(shí),樁基主應(yīng)力超過(guò)2.43 MPa,即其主拉應(yīng)力允許值。18#墩的主應(yīng)力均在允許值范圍內(nèi),17#墩受地基推移影響主應(yīng)力減小,但一直略超過(guò)容許值。
以19#墩為例,樁基沿深度方向的水平位移和豎向沉降見(jiàn)圖8。可知,不對(duì)稱回填對(duì)樁基豎向沉降影響不大,樁基水平位移受左右兩側(cè)回填堆載影響,左側(cè)堆載引起樁向右側(cè)偏移,右側(cè)堆載引起樁向左側(cè)偏移,1#樁、2#樁分別向右偏移11.8,6.7 mm,4#樁、5#樁分別向左偏移2.5,6.9 mm。橋墩向左傾斜,墩頂偏移20.8 mm。
圖8 樁基水平位移和豎向沉降
樁基和承臺(tái)的最大主應(yīng)力達(dá)到1.79 MPa,承臺(tái)承受的主應(yīng)力在允許范圍之內(nèi)。
堆載高度為1,3,5,7 m時(shí),19#墩墩頂產(chǎn)生的豎向沉降和水平位移見(jiàn)圖9??芍?,水平位移和豎向沉降均隨堆載高度顯著增大。
圖9 不同堆載高度下墩頂豎向沉降和水平位移
樁基及承臺(tái)最大主應(yīng)力圖10??芍?,隨著堆載高度增加最大主應(yīng)力略有減小,主應(yīng)力均在允許范圍之內(nèi),而且說(shuō)明在堆載高度7 m范圍內(nèi)樁基及承臺(tái)最大主應(yīng)力受堆載高度影響很小,其主要與橋梁豎向荷載有關(guān),主拉應(yīng)力值已接近2 MPa,所以不對(duì)稱堆載時(shí)最大不能超過(guò)7 m。
圖10 不同堆載高度下樁基和承臺(tái)最大主應(yīng)力
1)運(yùn)營(yíng)鐵路橋梁產(chǎn)生的沉降變形受堆卸載、地基推移等周邊環(huán)境變化密切相關(guān),且不對(duì)稱堆載產(chǎn)生不同程度的影響。
2)回填堆載對(duì)17#,18#,19#墩樁基豎向沉降有一定影響。施加實(shí)際荷載堆載引起17#,18#,19#墩的最大沉降分別達(dá)到85.8,43.4,20.9 mm,對(duì)應(yīng)樁基的最大主應(yīng)力分別為4.3,0.8,0.7 MPa,即堆載引起17#橋墩樁基主拉應(yīng)力超過(guò)容許值。
3)地基推移對(duì)17#,18#和19#墩樁基的主拉應(yīng)力有較大影響。對(duì)于19#墩,墩頂水平位移接近10 cm 時(shí),樁基主應(yīng)力超過(guò)2.43 MPa即其主拉應(yīng)力允許值。18#墩的主應(yīng)力均在容許值范圍內(nèi),17#墩受推移影響較小,但一直略超過(guò)容許值。
4)南北側(cè)回填堆載的不對(duì)稱性對(duì)橋梁樁基橫向產(chǎn)生水平位移有較大影響。以19#墩為例,左側(cè)堆載引起樁向右側(cè)偏移,右側(cè)堆載引起樁向左側(cè)偏移,1#樁、2#樁分別向右偏移11.8,6.7 mm,4#樁、5#樁分別向左偏移2.5,6.9 mm。橋墩向左傾斜,墩頂偏移20.8 mm。不同堆載高度對(duì)樁基和承臺(tái)主動(dòng)拉應(yīng)力影響相對(duì)較小,未超出容許應(yīng)力范圍。
5)綜合分析結(jié)果和混凝土允許主拉應(yīng)力,該橋梁樁基均勻堆載最大不能超過(guò)13 m,不對(duì)稱堆載最大不能超過(guò)7 m。