林 剛

趙 毅

倪 鵬

浙江省地礦勘察院有限公司，浙江 杭州 310007

為促進(jìn)各地區(qū)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)及經(jīng)濟(jì)的聯(lián)合發(fā)展，我國(guó)高速公路工程的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大［1］。由于高速公路施工過(guò)程中會(huì)存在大量的挖填方工程，通常上述挖方工程產(chǎn)生的土方往往就近堆置，而這一舉措常會(huì)使高速公路附近土體應(yīng)力重新分布，且容易引起樁身周圍產(chǎn)生負(fù)摩擦阻力，造成樁身軸力增加并產(chǎn)生不均勻沉降［2］，最終可能會(huì)導(dǎo)致橋墩、承臺(tái)甚至上部結(jié)構(gòu)的偏移和沉降，影響高速公路的安全施工及運(yùn)營(yíng)。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者就大面積堆載對(duì)其附近橋梁墩柱結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了一系列的研究。黃清［3］采用FLAC3D軟件模擬了堆土對(duì)被動(dòng)樁的空間變形和受力狀態(tài)的影響，結(jié)果表明線路兩側(cè)堆載會(huì)使橋墩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平位移。顧津申［4］采用ABAQUS軟件分析了橋梁附近土方堆積對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)墩柱沉降變形的影響。邵曼［5］采用數(shù)值分析方法分析了軟土地區(qū)臨近高架橋梁的堆土對(duì)橋墩及樁基礎(chǔ)的影響。聶如松等［6］分析了高速線路附近土方堆積對(duì)橋墩樁基礎(chǔ)的影響。王曉佳等［7］采用Midas GTS NX 軟件分析了堆載對(duì)橋梁樁基沉降及側(cè)移的影響。田忠青［8］采用Geo-Studio 軟件研究了既有橋梁在堆載作用下橋墩的水平位移的變化規(guī)律。馮忠居等［9］監(jiān)測(cè)線路附近堆載對(duì)橋梁墩臺(tái)與樁基的變形情況，并提出了防治建議。

以上研究表明，大面積土體堆載會(huì)對(duì)臨近建筑物或構(gòu)筑物的樁基產(chǎn)生較大的影響，但目前對(duì)淺層硬土、中層或深層軟土地區(qū)高速公路嵌巖樁臨近堆土荷載作用下的樁身穩(wěn)定性尚未有較深入的研究。本文根據(jù)我國(guó)東部沿海軟土地區(qū)實(shí)際工程案例，采用Plaxis 3D 軟件進(jìn)行彈塑性有限單元法數(shù)值分析，對(duì)高速公路在臨近堆積土方作用下的影響進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

1.1 工程背景

該工程位于浙江省杭州市內(nèi)快速路某高架橋梁段落，由于建設(shè)工程綠化需要，在該高架線路南、北兩側(cè)進(jìn)行了人工堆土，沿橋縱向分布，北側(cè)設(shè)計(jì)最高堆載為11.6 m，堆土邊緣距機(jī)場(chǎng)路高架橋中心線約30 m；南側(cè)設(shè)計(jì)最高堆載為10.2 m，堆土邊緣距該高架橋中心線約為25 m。該高架橋兩側(cè)堆土示意圖見圖1、圖2。

圖2 南側(cè)堆土示意(單位:m)

工程內(nèi)地貌類型單一，為沖海積平原，地勢(shì)平坦，較開闊，平原區(qū)地面高程一般在5.1～7.1 m?，F(xiàn)狀工作區(qū)除道路外，原村莊均已拆遷，農(nóng)田多已廢棄。根據(jù)收集的資料，工作區(qū)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9.2～18.3 m；中部為海積流塑淤泥質(zhì)土，厚度4.8～16.3 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)黏土，厚度1.8～9.6 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19.5～35.4 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。樁基持力層為強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖，淺部土層多為粉土、黏土、淤泥質(zhì)黏土等土層，見表1。工程所在區(qū)域河流水系發(fā)達(dá)，地下水位較高，在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)按0 m水位考慮。

表1 土層分層參數(shù)

1.2 高架橋梁設(shè)計(jì)情況

該高架橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，下部基礎(chǔ)為群樁基礎(chǔ)，連接結(jié)構(gòu)為墩柱（圖1），樁基直徑為1.5 m，樁長(zhǎng)50～70 m，樁間距3.75 m，承臺(tái)長(zhǎng)、寬、高分別為10、10、3 m，樁 身 縱 筋 型 號(hào) 為HRB335，樁頂以下20 m 為28B25，樁頂以下20～35 m 為14B25，螺旋箍筋型號(hào)為HPB300，樁頂以下5 m為加密區(qū)Ф10@100 mm，樁頂以下5～35 m為Ф10@200 mm。

圖1 北側(cè)堆土示意(單位:m)

2 計(jì)算模型

2.1 有限元模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，將該高架橋梁箱梁以下部件（包括橋墩、承臺(tái)、群樁基礎(chǔ)、地基和堆土等）進(jìn)行三維有限元模型建模，計(jì)算模型見圖3。地基和土堆采用單元離散，承臺(tái)為C30鋼筋混凝土，采用10 節(jié)點(diǎn)四面體單元離散，線彈性本構(gòu)，10 節(jié)點(diǎn)四面體單元數(shù)量共35881 個(gè)。橋墩為C40鋼筋混凝土，采用3節(jié)點(diǎn)三角形平面板單元離散，單元數(shù)量共42個(gè)，線彈性本構(gòu)?；鶚稙镃30 鋼筋混凝土，采用Embedded 樁單元模擬，該單元類型自帶樁土界面功能，可設(shè)置樁側(cè)極限側(cè)摩阻力和極限端阻力，適用于樁土相互作用模擬，單元數(shù)量共162 個(gè)。模型中各部件的計(jì)算參數(shù)見表2。其中，為消除模型邊界效應(yīng)的影響，地基模型深度方向由樁基底部向下延伸55 m，地基模型沿高架橋線路方向由橋墩承臺(tái)向外延85 m，地基模型垂直于高架橋線路方向，北側(cè)由堆土寬度外邊緣向外延25 m，南側(cè)由堆土寬度外邊緣向外延40 m。選取其中一個(gè)承臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將橋面箱梁自重、橋面活荷載、車輛、車道荷載以及制動(dòng)力簡(jiǎn)化為一個(gè)豎向力和一個(gè)水平力施加于橋墩之上。

圖3 三維有限元分析模型

表2 模型中各部件計(jì)算參數(shù)

2.2 本構(gòu)模型

土體本構(gòu)模型采用小應(yīng)變土體硬化高級(jí)本構(gòu)模型（HSS 模型）。該模型包括3 個(gè)剛度參數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)三軸排水試驗(yàn)割線剛度側(cè)限壓縮試驗(yàn)切線剛度、工程應(yīng)變范圍內(nèi)卸載/重加載剛度；3 個(gè)強(qiáng)度參數(shù)：有效粘聚力c′ref、有效摩擦角φ′、剪脹角ψ；兩個(gè)小應(yīng)變參數(shù)：小應(yīng)變參考剪切模量時(shí)的剪切應(yīng)變?chǔ)?.7；剛度的應(yīng)力相關(guān)冪系數(shù)m、靜止側(cè)壓力系數(shù)K0、基準(zhǔn)壓Pref、泊松比ν′ur以及破壞比Rf。表3 為由地勘報(bào)告和經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定的各代表性截面所涉及土層的HSS本構(gòu)模型參數(shù)。

表3 不同土層HSS本構(gòu)模型參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 橋梁角樁變形及內(nèi)力分析

在上述模型中，設(shè)置4個(gè)分析步，生成土體的初始應(yīng)力場(chǎng)；激活橋墩、承臺(tái)、群樁基礎(chǔ)以及墩頂荷載；激活兩側(cè)堆土。根據(jù)Plaxis 三維有限元軟件計(jì)算分析，可分別運(yùn)算獲得各荷載分析步的變形和內(nèi)力結(jié)果。根據(jù)數(shù)值計(jì)算模擬結(jié)果可見，樁頂幾乎保持水平，樁身整體發(fā)生變形，彎矩最大點(diǎn)與位移最大點(diǎn)幾乎重合，均在軟弱土層區(qū)域，最大值分別為382.7 kN·m 和3.3 mm，樁頂軸力與剪力最大，分別為725.0 kN和125.3 kN，淤泥質(zhì)黏土層與較硬的粉土層交界處有反彎點(diǎn)，樁身入巖部分，軸力驟減。角樁變形以及內(nèi)力圖見圖4，并將結(jié)果匯總于表4，表中x方向?yàn)檠馗呒軜蚍较?，y方向?yàn)榇怪备呒軜蚍较颉?/p>

表4 有限元計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖4 角樁位移內(nèi)力

3.2 堆土滑動(dòng)穩(wěn)定性分析

在上述塑性分析步的基礎(chǔ)上進(jìn)行強(qiáng)度折減分析，從而獲得南北兩側(cè)堆土影響下的地基滑移場(chǎng)和對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)?；瑒?dòng)破壞面云圖見圖5，由圖可知，堆土滑動(dòng)面基本位于土堆坡角，未見切穿群樁基礎(chǔ)及連通南北側(cè)地基的深層滑動(dòng)面。截面滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)為2.051，大于規(guī)范中一級(jí)永久邊坡一般工況所要求的滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)1.35。

圖5 土堆滑動(dòng)破壞面云圖

4 橋梁樁基驗(yàn)算

為驗(yàn)算堆土引起樁基在附加內(nèi)力作用下的樁基豎向承載力、樁基正截面抗壓承載力和樁基斜截面抗剪承載力，本節(jié)以第4 節(jié)有限元結(jié)果為基礎(chǔ)，參考《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范（JTG D60—2018）》《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG 3363—2019）》《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG 3362—2018）》《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50010—2010）》，分析典型斷面橋梁樁基的承載能力，并驗(yàn)算樁基最大裂縫寬度。

4.1 橋梁樁基承載力驗(yàn)算

由于線路附近堆土可能引起樁周土沉降大于樁基沉降，引起樁側(cè)負(fù)摩阻力，故在進(jìn)行樁基豎向承載力驗(yàn)算時(shí)，考慮了樁側(cè)負(fù)摩阻力的影響。由于堆土在水平向?qū)渡懋a(chǎn)生附加作用，還應(yīng)驗(yàn)算樁身正截面抗壓承載力、斜截面抗剪承載力和裂縫寬度是否滿足規(guī)范要求，正截面抗壓承載力和裂縫驗(yàn)算選取在樁身彎矩最大處，斜截面抗剪承載力驗(yàn)算選取在樁身最大剪力處。

因?yàn)榻菢稙閼?yīng)力疊加區(qū)域，軸力、彎矩、剪力以及位移均比其他位置的樁大，所以選取角樁進(jìn)行單樁豎向承載力驗(yàn)算，樁基參數(shù)見表5，側(cè)阻計(jì)算見表6。樁基持力層為強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖，中性點(diǎn)深度比ln/l0為1，考慮負(fù)摩阻力后樁基豎向承載力下降11.7%。堆土對(duì)單樁承載力影響計(jì)算見表7。

表5 樁基參數(shù)

表6 樁側(cè)阻標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

表7 堆土對(duì)單樁承載力影響

4.2 橋梁樁身裂縫寬度驗(yàn)算

由有限元計(jì)算結(jié)果可得：軸力N、剪力V和彎矩M沿樁身分布，據(jù)此開展鋼筋混凝土圓形抗壓構(gòu)件正截面抗壓承載力和裂縫寬度驗(yàn)算。同樣選取角樁進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算位置選在樁身彎矩最大處?？箟簶?gòu)件正截面抗壓承載力和裂縫寬度驗(yàn)算依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG 3362—2018）》5.3.8、5.3.9 開展。樁身最大剪力V為129 kN；樁身最大彎矩M為517 kN·m。各工況組合內(nèi)力見表8，正截面抗壓承載力驗(yàn)算結(jié)果見表9，裂縫寬度驗(yàn)算結(jié)果見表10。

表8 驗(yàn)算截面基本組合內(nèi)力

表9 正截面抗壓承載力驗(yàn)算結(jié)果

表10 裂縫寬度驗(yàn)算結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)杭州市某高架橋及線路兩旁土方堆積為背景，建立三維有限元分析模型，模擬分析了其南北兩側(cè)堆土引起的橋樁變形和內(nèi)力變化，并分析獲得了土體滑動(dòng)面形態(tài)和滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)。同時(shí)通過(guò)評(píng)價(jià)堆土作用下樁基豎向承載力、正截面抗壓承載力、斜截面抗剪承載力以及樁身裂縫寬度，分析了橋梁樁基的承載性能，得到以下結(jié)論：

1）高架橋在臨近堆載作用下，樁基將產(chǎn)生側(cè)向變形，水平位移為主導(dǎo)位移，樁身將產(chǎn)生S 型的位移曲線，在軟土和硬土的交界處產(chǎn)生反彎點(diǎn)。

2）中、深層軟土層地區(qū)，臨近堆土荷載引起的樁身水平位移最大處在軟土層附近，樁頂和入巖部分幾乎沒(méi)有位移，樁身彎矩不足以引起破壞性裂縫。應(yīng)該以變形限制作為控制條件。

3）高架橋臨近堆載會(huì)降低樁基承載力的安全儲(chǔ)備，在高架橋附近進(jìn)行長(zhǎng)期堆載時(shí)須嚴(yán)格控制堆土的高度和與樁基的距離。

目前監(jiān)測(cè)點(diǎn)僅限于高架橋橋墩和土堆區(qū)域，建議增加橋樁裂縫和箱梁接縫監(jiān)測(cè)及橋墩兩側(cè)的深層土體位移監(jiān)測(cè)，以便更清楚地了解線路基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)的受力變形發(fā)展情況；建議做好堆土場(chǎng)地內(nèi)外的排水系統(tǒng)，保證排水順暢；高架橋線路兩旁堆土應(yīng)嚴(yán)格按照堆土場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)圖紙中的標(biāo)高和坡度實(shí)施，并及早覆綠以保證坡體穩(wěn)定。