考虑土体蠕变的桥台长期变形机理分析

刘永棵

（重庆市渝北区建设工程质量监督站，重庆401120）

软土地区的桥梁，随着服役时间的延长，桥台在台背填土与汽车荷载的长期作用下，易出现沉降或向前推移的现象。填土越高，作用时间越长，这种现象越明显，土基础的变形会引起桥台和墩帽梁处开裂、伸缩缝装置破坏而机动性能受阻、行车过程中发生跳车等病害。分析桥台土基础的蠕变特性，研究桥台的长期变形机理，是解决病害的必要途径。

土基础的蠕变，是土体在桥台重力、台背填土的压力、行车荷载等耦合作用下，随时间的变化发生的缓慢变形。土体的蠕变理论，有基于Laplace变换及其逆变换的解析法和基于串并连元件的模型法。前者主要用于研究土的蠕变特性，后者便于有限元法的程序设计，所以在工程实践中逐渐推行并取得了较好成果。运用ABAQUS有限元软件的蠕变分析模块，研究桥台的长期变形机理。

1 桥台蠕变有限元模型

1.1 土体蠕变本构关系

采用扩展DRUCKER－PRAGER蠕变模型的时间硬化法则，其本构关系为

式（1）表征的是蠕变应变与时间及等效应力的关系，积分后结果如下式

式中:n＞0；0≥m＞－1；A，n，m必须在土体蠕变实验数据拟合后获取。

1.2 有限元模型

以重庆市某跨度为28m的简支梁桥为例，建立桥台有限元分析模型，如图1所示。土体采用Drucker－Prager准则，考虑蠕变与硬化特性，桥台采用线弹性模型，网格为四结点双线性平面应变四边形单元CPE4。

2 桥台变形机理分析

2.1 蠕变分析

选取如图1所示的桥台1～4处为例，分析在土体蠕变作用下的变形特性。桥台各关键位置周围土体的蠕变变形会随时间变化而发生改变（见图2）。

图1 桥台有限元分析模型

图2 桥台各关键位置的蠕变位移随时间变化

从图2可以看出，在土体蠕变启动初期，各监测点产生较快的滑移变形，之后变形速率逐渐减小，经历一段时间后，变形速率趋向较小的稳定值，进入匀速缓慢变形阶段。可见桥台在荷载长期作用下，由于土基础的蠕变，会发生减速变形，从而导致桥头的沉降和开裂等病害。

2.2 应力场与应变场分析

在蠕变启动初期，土基础应力场呈现随深度均匀增加的分布状态（见图3）。在发生蠕变后，桥台底部土体应力增加（见图4）。随着时间的增长，土基础产生蠕应变（见图5）。随着土体厚度的增加，蠕变减小。土体蠕变推动桥台产生水平位移（见图6）。桥台上半部水平位移较大，下半部位靠近土基处水平位移相对较小，桥台有倾覆趋势。同时，整体发生竖向位移，导致桥台面与路面产生沉降及撕裂。

3 桥台变形防治措施

基于桥台的长期变形机理，从土基础物理特性和桥台结构形式两方面考虑，采取防治措施。

1）改善土基础的物理力学性能，增加土体刚度，从而增加土体蠕变的启动应力，控制启动或降低蠕变，减缓桥台的变形。

2）采用桩基础，特别是群桩基础，桥台上的部分荷载由桩基传递到土层深部，从而降低桥台底部土基础的应力。土基础在低应力作用下不易产生蠕变，桥台不会由于土体蠕变而产生变形。

图3 未蠕变时应力场分布

图4 蠕变后应力场分布

图5 蠕应变场分布

图6 蠕变后水平位移场分布

4 结 论

由于土体的蠕变特性，服役期的桥台随着时间的增长，会发生明显的变形而产生病害。采用ABAQUS有限元软件的蠕变分析法，有效揭示了桥台长期变形的机理。得到以下结论:

1）在桥台重力和桥面荷载的长期作用下，土基础发生减速蠕变。在蠕变启动初期，桥台产生较快滑移变形，之后变形速率逐渐减小，经历一段时间后，变形速率趋向较小的稳定值，桥台匀速缓慢变形。

2）改善土基物理特性，桩基础传递的桥面荷载可到达较深的持力层，降低土基础应力，减小蠕变速度，从而减缓桥台长期变形。

［1］ 邵旭东，易笃韬，李立峰，等.软土地基桥台受力分析［J］.中南公路工程，2004，29（2）:37－44.

［2］ 罗广发，李立峰，陈昌富，等.软土地基桥台的病害及受力分析［J］.东北公路，2003，22（2）:72－75.

［3］ 傅建曙.深基坑开挖支护技术分析［J］.交通科技与经济，2014，16（4）:59－64.

［4］ 聂如松，冷伍明，律文田.软基台后路基填土对桥台桩基侧向影响的试验研究［J］.岩土工程学报，2005，27（12）:1487－1490.

［5］ 孙 钧.岩土材料蠕变及其工程应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，1999.

［6］ 李雪峰，张军辉，郑健龙.路基堆载下软土侧移对桥台桩基影响研究综述［J］.路基工程，2011（1）:12－15.