鄧澤城 尹 昭 唐先武

（1.江西省交通投資集團有限責任公司，江西 南昌 330025；2.長沙理工大學土木工程學院，湖南 長沙 410114）

0 引言

在工程建設過程中，有可能會將施工產(chǎn)生的廢土就近填筑在既有橋梁下，雖然減少了廢土的轉(zhuǎn)運，但也會在橋梁下形成土坡。新填土坡對既有橋梁的影響是一個非常復雜的工程問題[1-2]。目前，這一問題已得到工程界的關注。李仁強[3]研究了道路施工對既有高速鐵路橋梁樁基和承臺的影響；成科霈[4]研究了橋梁樁頂位移與路堤填土高度之間的關系，結果表明，橋梁墩頂縱向位移最大，豎向位移最??；王耀等[5]通過數(shù)值模擬，分析了新建道路下穿高鐵橋梁施工對既有高鐵橋梁的影響。針對這些問題，還有學者采用數(shù)值模擬、試驗研究等手段[6-11]對土坡與樁基的相互作用機理及影響規(guī)律進行了深入研究，并為工程設計與施工提供了有力的指導。本文以某高架橋下填土工程為例，通過建立橋下土坡與既有橋梁的有限元模型，分析填土坡度與填土高度對樁基受力與變形的影響，可為后續(xù)類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某高速公路主線橋所處位置屬于剝蝕低山地貌單元，地面標高在217.60～257.05m之間，地形起伏較大，自然邊坡坡度20°～30°左右。橋址區(qū)的地層結構簡單，主要由第四系全新沖洪積層及殘坡積碎屑堆積層組成。巖性主要為中粗?；◢忛W長巖，按風化程度由上而下分為全風化、強風化和弱風化。該橋的設計荷載等級為公路-Ⅰ級。下部采用柱式墩，橋臺采用150樁。樁基采用挖孔灌注樁，按照嵌巖樁設計。因周邊工程建設需要在橋下填土，對既有橋梁樁基受力與變形的影響值得重視。

2 本構模型分析

2.1 Mohr-Coulomb準則的屈服面

Mohr-Coulomb準則的屈服面函數(shù)為：

式中，φ為內(nèi)摩擦角，其為p-q應力面上Mohr-Coulomb準則的屈服面的傾斜角；c為黏聚力；Rm為廣義剪應力的修正系數(shù)，其主要控制屈服面在π平面的形狀，其表達式為：

式中：

Θ——極偏角；

r——第三偏應力不變量。

Mohr-Coulomb準則的屈服面在子午面和π平面上的形狀如圖1所示。

圖1 Mohr-Coulomb準則的屈服面示意圖

2.2 Mohr-Coulomb準則的塑性勢面

當塑性勢面與屈服面相同時，容易在尖角處呈現(xiàn)塑性變形方向不唯一的狀況，導致數(shù)值計算過程復雜等問題。為解決上述問題，建模時可在子午面尖角處進行光滑處理，采用連續(xù)光滑的橢圓函數(shù)作為塑性勢面，其表達式為：

式中：

c|0——初始黏聚力；

ψ——剪脹角；

ε——子午面上的偏心率，通常取0.1；

Rmw——改進后的修正系數(shù)，其表達式為：

式中，e是π面上的偏心率，其主要控制π面上Θ=0～π/3的塑性勢面的形狀，通常取0.5～1.0。

改進后的Mohr-Coulomb準則子午面形狀如圖2所示，Mohr-Coulomb準則的塑性勢面如圖3所示。

圖2 改進后的Mohr-Coulomb準則子午面形狀

圖3 橋下填土后的計算模型及網(wǎng)格劃分

圖3 Mohr-Coulomb準則的塑性勢面示意圖

3 有限元模型建立

3.1 模型建立及參數(shù)選擇

通過大型通用有限元分析軟件ABAQUS建立橋梁-填土路基相互作用模型，主要包括蓋梁、墩柱、填土等部分。其中，蓋梁與墩柱采用二維平面應變單元，單元類型為CPE4R，考慮混凝土塑性損傷，采用《混凝土結構設計規(guī)范》[12]中的本構模型，混凝土強度等級為C30，混凝土密度為2500kg/m3，彈性模量取3.45×104MPa，內(nèi)部鋼筋采用二維線單元，單元類型為T3D2，采用雙線性本構模型，鋼筋密度為7800kg/m3，彈性模量取200GPa，泊松比0.3，屈服強度400MPa，極限強度540MPa。路基材料的本構模型采用前述Mohr-Coulomb準則，橋下填土由上到下依次為素填土、粉砂、強風化泥巖，具體參數(shù)如表1所示。

表1 填土材料參數(shù)

3.2 計算模型及網(wǎng)格劃分

因周邊工程建設需要在橋下填土，橋下填土區(qū)域如圖3所示。圖3中，局部填土坡度為θ；填土高度為h。

4 橋下填土對既有橋梁樁基的影響分析

4.1 土坡坡度的影響

在填土高度h為15m、填土坡坡度θ分別為24°、30°、39°和52°條件下，樁身水平位移和樁身彎矩分布曲線如圖4和圖5所示。

圖4 樁身水平位移受填土坡度的影響

圖5 樁身彎矩受填土坡度的影響

由圖4可知，隨填土坡度減小，樁基水平位移逐漸減小?？梢园l(fā)現(xiàn)樁頂水平位移變化明顯，而距離樁頂15m后的水平位移變化較小，這是由于路基高度僅為15m。隨填土坡度由52°降低到24°，樁頂水平位移由88.3mm減小到了65.9mm，減小了約23%。

由圖5可知，隨填土坡度減小，樁身最大彎矩逐漸減小。當填土坡度由52°，降低到24°時，樁身最大彎矩由5478kN減小至2669kN，減小了約51%。因此，在既有橋梁下填土時，應盡可能減小樁位處邊坡形成，以保證既有橋梁工程的安全穩(wěn)定。

4.2 填土高度的影響

在填土坡度θ為52°，填土高度h分別為5m、10m和15m條件下，樁身水平位移和樁身彎矩分布曲線，如圖6和圖7所示。

圖6 樁身位移受填土高度的影響

圖7 樁身彎矩受填土高度的影響

由圖6可知，隨橋下填土高度的降低，樁身水平位移逐漸減小。隨填土高度由15m降低到5m時，樁頂水平位移由88.3mm減小到了31.1mm，減小了約65%。

由圖7可知，隨填土高度降低，樁身水平位移逐漸減小，樁身最大彎矩也隨之發(fā)生明顯變化。隨著填土高度由15m降低到5m，樁身最大彎矩由5478kN減小到了795kN，減小了85%。由此可知，在橋下回填土坡時，填土高度對樁基的變形影響較大，應盡量減少填土高度，以保證既有橋梁安全。

5 結束語

基于Mohr-Coulomb準則的屈服面和塑性勢面，建立了橋下土坡與既有橋梁相互作用的有限元模型，分析了橋下填土坡度和高度對已有橋梁受力與變形的影響。模擬結果表明：（1）橋下填土將會導致既有橋梁產(chǎn)生較大位移，其原因是橋下填土形成的斜坡導致樁周土體非對稱而形成側向土壓力，從而影響既有橋梁的安全；（2）橋下填土坡度和高度對樁基受力與變形的影響均比較顯著，在類似工程設計時，應盡量減小回填土坡度和高度，并應保證樁周填土的均勻性和對稱性，以減小樁側土壓力。