大面积弃渣对既有桥梁桩基的影响性分析

胡国玺，白 皓，刘 宝，徐海铭，张礼财

(1. 四川高速公路建设开发总公司， 四川成都 610041;2. 西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

大面积弃渣对既有桥梁桩基的影响性分析

胡国玺1，白 皓1，刘 宝2，徐海铭1，张礼财2

(1. 四川高速公路建设开发总公司， 四川成都 610041;2. 西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

土质地基上既有桥梁桩基对大面积弃渣偏载的扰动高度敏感，因此深入分析弃渣大小与距离的影响性十分必要。文章基于三维数值计算方法，建立桥梁桩基计算模型，分析大面积弃渣的影响性。计算结果表明：大面积弃渣易导致地基土发生竖向和侧向变形，使既有桩基承受较大的附加荷载甚至开裂折断，其破坏现象首先发生于土层中桩体上；桩基内力、变形与弃渣高度呈线性关系，与相隔距离呈二次函数关系，当距离达到10～15 m时弃渣偏载的影响就相对较小。

大面积弃渣； 桥梁桩基； 数值计算； 影响

近年来，随着我国各种基础设施建设和城市建设的蓬勃发展，产生了大量的建筑弃渣，将其违规丢弃于既有构筑物附近的现象越来越多[1-2]。大面积弃渣对临近桥梁桩基的工作性状产生严重威胁[3]，易导致较大变形或破坏(图1)，并且其对线路正常运营的影响很大。大面积弃渣对临近既有桩基的影响主要表现在[4]：⑴大面积弃渣引起地基发生竖向固结沉降，使桩身承受负摩阻力并产生附加沉降，从而导致桥梁不均匀变形；⑵大面积弃渣中心部分地基以竖向沉降为主，而弃渣边缘部分地基则以竖向沉降和侧向变形为主，临近弃渣的既有桩基另外还要承受侧向挤压作用，使桩身发生挠曲甚至断裂破坏。目前，大面积弃渣对桩基影响的研究主要集中在负摩阻力[5]或单一工况条件[6]，而针对弃渣荷载大小与分布位置的影响性研究较少，有必要进一步深入讨论。本文将结合工程实例，采用有限元数值计算方法，对大面积弃渣情况下临近既有桥梁桩基的挠曲变形特性、荷载大小与距离的影响等进行分析，为此类工程的加固设计与施工提供参考。

图1 某高速公路桥梁桩基被弃渣破坏

1 数值计算模型

选取成都平原地区某典型工况建立计算模型。利用ABAQUS软件建立三维有限元计算模型，沿线路里程取Z向各半跨作为模型计算范围，建立地基模型X方向长为50 m，Y方向高度为20 m(不含弃渣厚度)，Z方向宽度为20 m。桥梁桩基采用实体单元模拟，1#与2#桩基中部采用系梁连接、顶部采用盖梁连接；岩土体也采用实体单元模拟，其中弃渣与土体服从Mohr-Coulomb准则，下部卵石层采用线弹性模型，均按六面体单元进行离散。边界条件设置时，模型横向断面和纵断面上X、Z方向约束法向位移，底部约束X、Y、Z方向位移。计算模型共有33 768个单元，计算模型如图2所示，各计算参数取值如表1所示。

图2 数值计算模型(L=0 m)

地层密度/(kN·m-3)压缩模量/MPa弹性模量/MPa泊松比粘聚力/kPa内摩擦角/°弃渣183．5400．3658黏土217．61200．263918粉质黏土19．55．4900．282216卵石层17．5-1500．25035

2 计算结果分析

2.1 桩基受力变形分析

以“弃渣高度H为10 m、距离L为0 m”为桩基受力变形分析工况，1#桩基计算结果如图3所示。

(a)弯矩与剪力 (b)位移与轴力 图3 桩基内力与变形分布

弃渣偏载作用下地基土体主要发生了侧向挤压变形和竖向沉降变形。地基侧向变形则增加了桩基侧向载荷，从而使桩基产生了较大的结构内力和变形，其弯矩极值出现于黏土层和粉质黏土层交界面附近和地面处，说明土体侧向变形主要发生于上部黏土层中，据此可推测桩身开裂破坏的部位，并且当桩身直接承受弃渣推力时桩顶处也将产生较大的内力。桩基水平位移最大值出现于桩顶，并偏向弃渣方向，与现场病害情况一致；桩基呈以地基面为转点倾倒变形趋势(含转动与沉降变形)，这是地基侧向荷载作用于桥梁桩基下部导致的。地基沉降主要来源于黏土层的压缩变形，从而使桩基承受一定的负摩阻力，线路横向和纵向的沉降差异导致桥梁桩基发生不均匀沉降变形，常引发桥面开裂。

2.2 弃渣厚度的影响性分析

以“距离L为2.5 m“为基本工况，分析弃渣高度H(4 m、6 m、8 m、12 m、16 m)对既有桥梁桩基受力变形的影响，1#桩基计算结果如图4和图5所示。

(a)弯矩 (b)水平位移图4 不同弃渣厚度下桩基内力变形分布

(a)弯矩 (b)水平位移图5 不同弃渣厚度下桩基内力变形变化

当弃渣厚度较小时，桩基的横向变形和内力相对较小，也相对接近。随着弃渣厚度的增大，土体变形也显著增加，桩身所承担荷载也随之呈线性增长，从而导致桩基变形与内力均变大。计算工况仅考虑弃渣通过地基土变形间接作用于桩基，所以土层中桩基弯矩明显大于系梁以上桩基的弯矩，最大值出现于黏土层和粉质黏土层交界处(即C高程)，且随着弃渣厚度的增加土层中桩体弯矩比其他部位的弯矩增大更快。

2.3 相距长度的影响性分析

以“弃渣高度H为10 m”为基本工况，分析距离L(5 m、7.5 m、10 m、15 m、20 m、25 m)对既有桥梁桩基受力变形的影响，1#桩基计算结果如图6和图7所示。

(a)弯矩 (b)水平位移图6 不同距离下桩基内力变形分布

(a)弯矩 (b)水平位移图7 不同距离下桩基内力变形变化

不同距离下桩基内力变形分布与上述结果基本相同，但是随着距离的增加桩体弯矩与水平位移呈二次曲线减小。弃渣距离桩基越远时，扩散到桩身的附加应力也相应较小，内力与变形也明显降低，当距离超过10 m时这种现象就更加显著。研究表明，随着距离的增大，桩身水平位移呈现出短桩的变形特征，但是本文计算结果表明随着距离的增加桩底变形量反而超过了桩顶变形，说明随着距离的增大，桩底仍然受到堆载深层扩散的影响，尤其是在深厚软土地区。

2.4 桥面开裂成因分析

桥梁桩基不均匀沉降是造成桥面开裂的原因，其主要来源包括横向不均匀沉降和纵向不均匀沉降。本文主要分析横向不均匀沉降，计算结果如图8所示。

由计算结果可知，靠近弃渣一侧的桩基(即1#桩)沉降比另一侧(即2#桩)大。随着相隔距离的增加，两桩桩顶沉降差逐渐减小，当距离大于15 m时沉降值及其沉降差近乎

(a)弃渣高度 (b)距离图8 桩顶沉降变形规律

为零，此时可忽略弃渣对桩基受力的影响。随着弃渣厚度的增加，两桩桩顶沉降差也越来越大，基本呈线性规律增大。本文计算工况下，当弃渣厚度H为16m、距离L为2.5m时，1#和2#桩基桩顶沉降差为4.6mm，横向桩间距7.2m，此时盖梁倾斜率约0.64‰，再加上桩基竖向绝对沉降及其纵向不均匀沉降，将使桥面产生较大的拉应力甚至导致开裂。

3 结论

(1)地基土变形除了导致桩基承受一定的负摩阻力外，还使其承受一定的横向载荷，并产生较大的内力和变形，从而引起桩基础的不均匀变形和破坏。

(2)大面积弃渣偏载作用使临近既有桥梁桩基产生附加弯矩与变形，其与弃渣高度呈线性关系，与相隔距离呈二次函数关系，当距离达到10～15m时弃渣偏载的影响就较小。

(3)弃渣偏载间接作用于桩基上，变形极大值出现于桩顶，弯矩极大值则位于黏土层和粉质黏土层交界处，桩基开裂破坏首先发生于土层中桩体上。

(4)在大面积弃渣偏载作用下，既有桥梁桩群沿线路纵向和横向产生严重不均匀变形，易使桥面产生较大的拉应力甚至开裂，因此运营中应加强监管，以保证桥梁安全。

[1] 吴健, 王屹峰, 刘开富, 等. 大面积堆载下地下构筑物性状研究[J]. 岩土工程学报, 2008, 30(9): 1343- 1348

[2] 张晓斌, 姜忻良. 邻近大面积堆载下某厂房结构的不均匀沉降分析[C]//中国土木工程学会桥梁及结构工程分会编：第19届全国结构工程学术会议论文集. 北京: 人民交通出版社, 2012： 426-429

[3]BransbyMF,SpringmanSM. 3-dfiniteelementmodelingofpilegroupsadjacenttosurchargeloads[J].ComputersandGeotechnics, 1996, 19(4): 301-324

[4] 解家毕, 刘祖得, 刘小文. 大面积堆载情况下桩基础的力学特性分析[J]. 武汉大学学报:工学版, 2004, 37(3): 57-60

[5] 师旭超, 张新娟. 大面积堆载条件下桩基负摩阻力研究[J]. 山西建筑, 2008, 34(17): 1-2

[6] 张建勋, 陈福全, 黄建华. 受堆载超载影响下的桩基性状分析研究[J]. 福建工程学院学报, 2003, 1(4): 16-21

胡国玺(1982～)，男，工程师，主要从事高速公路建设管理工作；白皓(1984～)，男，工程师，主要从事高速公路建设管理工作。

U445.7+1

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[定稿日期]2014-12-31