复杂地形下桥基局部托换的安全分析

耿大新，王迎迎，李有国

(1.华东交通大学 土木与建筑学院岩土研究所，江西 南昌 330013；2.江西赣铁投资发展有限公司，江西 南昌330046)



复杂地形下桥基局部托换的安全分析

耿大新1，王迎迎1，李有国2

(1.华东交通大学 土木与建筑学院岩土研究所，江西 南昌 330013；2.江西赣铁投资发展有限公司，江西 南昌330046)

摘要：针对某一扩建施工铁路工程，修建了非对称桩基框架。对既有人行天桥桥基进行了局部托换与抗滑加固，以确保原结构的安全性与稳定性。运用ABAQUS软件建立了三维简化模型，对实际施工工况进行了数值模拟，设计验算结果证明了所建模型的合理性。考虑到降雨入渗的影响，对历年最大降雨强度下不同持续时间的情况进行了模拟，分析了雨后弯矩和位移的变化情况。研究结果表明：桩基框架和桥台形成一个整体，组成协同受力体系，其中，抗滑桩承受了较大的侧向压力。在最不利降雨条件下，该加固方案效果明显且满足要求。

关键词：局部托换；抗滑加固；降雨入渗；稳定性

0引言

随着中国地铁、轻轨和隧道等地下空间开发工程的迅猛推进，其施工过程中对既有建筑物的不利影响越发引人关注。桩基托换技术成为解决此类工程问题的关键施工技术，且效果良好[1-3]。边坡治理时，采用桩基托换后，桩具有抗滑加固的作用。桩的抗滑性能是工程领域的一个重要的研究课题[4-6]。文献[7]用Morgenstern-Price法建立了边坡稳定性分析模型，通过引入优化算法，得到更符合实际情况的最危险滑动面及最小安全系数。文献[8]提出了更具可靠性的抗滑桩位移和内力计算的有限元数值解法，并与实测结果进行对比，指出桩侧地基水平抗力参数具有非线性特性。文献[9]通过数值模拟研究了不同类型边坡内微型抗滑桩的破坏机制，并给出了破坏形式。文献[10]在不同强度折减系数条件下，从桩土整体稳定性和桩间土拱现象着手，对比分析了不同截面桩边坡加固时的效果。

然而，降雨入渗后土体参数弱化，对边坡的稳定性产生影响[11-12]。文献[13]对ABAQUS软件进行二次开发，完善降雨入渗边界条件设定，指出抗滑桩的存在阻断了排水断面，对边坡的稳定性造成不利影响。文献[14]以非饱和土力学理论为基础，结合有限元分析方法，研究了雨水下渗运移对边坡稳定性的时间效应及滑坡形成的机理，指出强降雨初期滑坡体安全系数降低明显，为滑坡多发时段，并给出滑坡防治的排水措施和综合治理建议。

某实际工程因工业发展需增修铁路专用线，然而，施工中原稳定边坡的开挖会对既有人行天桥的安全与稳定性造成影响，故通过桩基框架对人行天桥处的桥台基础进行局部托换(该桩基框架兼有抗滑作用)。考虑到降雨这一不利因素的影响，本文通过ABAQUS数值模拟，着眼于受力与位移，分析了持续降雨后边坡和桥台的安全性及该加固方案的加固效果。

1工程概况

某既有铁路线切丘陵边缘而过，地势南高北低。根据勘察报告，区域内上覆层分布主要为：①素填土，厚0.8～8.1 m；②含砾粉质黏土，厚4.5～7.0 m；③角砾土，厚5.0～5.8 m；④弱风化石灰岩，厚8.0～15.8 m。附近工业园拟建长达7.4 km的铁路专用线用于货物运输，扩建时将对原稳定边坡进行开挖。为保证边坡安全，通过混凝土挡墙进行加固，挡墙截面尺寸如图1所示。

某人行天桥横跨该铁路线，地处线路施工段。为保证工程建设过程中既有人行天桥正常工作，设计将原桥台基础扩建。施工时，采用挖孔灌注桩对桥台基础进行局部托换和加固，桩头上部以冠梁连接形成框架(桩和冠梁均为现场浇筑而成)，并用植筋与桥台台身绑定。由于沿着铁路纵向桥台的两侧边坡坡度不同，按照侧土压力的分布形式，采取非对称加固方式，加固方案如图2所示。

图1 混凝土挡墙剖面图图2 桩基框架加固示意图

2数值模拟

2.1模型建立

沿铁路纵向，原地层情况复杂，且桥台的两侧土体边坡非对称(高差1.6 m，坡面不一)。模型对地层进行简化，简化结果如图3所示。

图3　简化地层分布图

建立三维整体模型，见图4。模型尺寸为60.0 m×46.0 m×28.6 m(矮边坡侧高为27.0 m)，由高坡侧到矮坡侧过渡段长10.0 m，坡降1.6 m。开挖土体剖面简化为等边三角形，尺寸为60.0 m×3.8 m×3.8 m。挡土墙简化为矩形剖面结构体，尺寸为60.0 m×1.0 m×5.0 m，嵌入土体1.2 m。

模型同时对桥台和冠梁进行简化，桥台尺寸为3.5 m×3.5 m×5.9 m;冠梁呈“L”型(由3根加固桩的分布位置确定)，截面尺寸为1.0 m×2.0 m。设计桩长12.7 m，嵌入土层深度10.5 m，其中,嵌入基岩0.5 m。桩3直径1.2 m，桩1和桩2直径均为1.0 m。由于施工时冠梁和桩现浇而成，认为冠梁和3根桩为一个整体，组成桩基框架,对人行天桥桥台产生局部托换和抗滑加固的作用，如图5所示。

2.2参数选取

根据室内试验、原位测试﹑野外鉴定以及地区经验，综合评价给出各材料物理力学参数，见表1。

（1）试件无损检测 试件焊缝表面呈现银白色或金黄色，表面无裂纹、咬边、未熔合的缺陷，焊缝余高未超过1～3mm，根部全焊透。按照ASME B31.1要求进行射线检测合格。

图4 三维整体模型图5 局部托换与抗滑加固示意图

表1　材料物理力学参数

2.3模型中的接触及使用的单元

由于冠梁和桥台进行了植筋连接，因此，在数值模拟时将桥台、冠梁和桩进行合并处理。混凝土挡墙与土体之间设置主从面接触，罚摩擦，摩擦因数取0.15，挡墙底部采用绑定接触；桥台、冠梁周边及桩周与土体也采用主从面接触，切向为罚摩擦，摩擦因数取0.20，底部与土体绑定。模型中部件的增减采用“生死单元”的方法进行控制。

模型均采用实体单元来模拟，其中，土体采用理想线弹塑性Mohr-Coulomb模型，桥台、桩基框架与挡墙为弹性材料。网格划分均采用C3D8R六面体缩减积分单元。

2.4载荷及降雨入渗边界条件

模型中的主要荷载包括自身质量和桥台上部荷载。桥台所受荷载主要为桥身质量及上部行人荷载，模拟时等效为3.5 kPa均布荷载施加。模型四周采用水平向约束，底部采用XYZ三向约束，模型上部为自由面。

根据降雨强度q、土壤允许入渗的容量fp以及土壤饱和时的水力传导系数Kws，将复杂的降雨入渗过程分为以下3种情况：①Kws>q：表示雨水全部入渗，未产生地表径流，且水的入渗率保持不变；②Kws

降雨时，由于雨水的入渗，土体参数发生改变，对桥台和边坡的安全性与稳定性造成影响，这种影响程度又与降雨强度、降雨持续时间的关系密切[15-17]。降雨边界函数以降雨强度q表示，根据当地的实际降雨情况，考虑最不利因素进行模拟，即在降雨强度为10 mm/h，降雨持时分别为0 h、3 h、6 h、9 h和12 h的情况下，进行结构安全性分析。降雨强度随降雨持时的变化关系如表2所示。

表2　降雨强度随降雨持时的变化关系

注：ɑ为自由面坡度。

3结果与分析

3.1模型可靠性分析

为更直接地监测抗滑桩的变形情况，现场运用全站仪进行了控制测量，测量项目包括抗滑桩桩顶的水平位移和竖向位移。针对抗滑桩的变形，在现场冠梁上布设了3个监测点(#1、#2、#3)，具体位置如图2a所示。ABAQUS模拟、FLAC3D验算及现场监测的抗滑桩桩顶水平位移和竖向位移结果见表3。由表3可知：3种方式的位移相差不大，且水平位移均小于6 mm，满足规范要求。

表3　3种方式所得的抗滑桩变形结果

图6　模拟弯矩结果与验算弯矩结果对比

3.2降雨分析

3.2.1水平位移

3根桩的桩身水平位移变化情况如图7所示。图7中，桩1的水平位移最大，桩3次之，桩2最小。随降雨的持续进行，桩身水平位移均平稳增加，且3根桩在地面以上位移基本上呈线性变化，地面以下呈非线性变化。

图7　桩身水平位移变化趋势

图8为不同降雨持续时间下，坡体、桥台和桩基框架的最大水平位移。由图8可知：三者均随降雨持续时间的增加而增加，只是增加趋势不同。坡体最大水平位移增加幅度较桥台和桩基框架大，且桥台和桩基框架最大水平位移数值相近。

图8　雨后最大水平位移发展趋势

不同工况下坡体最大位移发生的位置，均出现在高边坡一侧扩建开挖后的坡脚处。雨后12 h坡体最大水平位移为11.0 mm，位移很小，满足要求，可见该施工加固后的边坡是安全的。不同降雨工况下，桥台最大水平位移位于顶端靠近高边坡一侧，雨后12 h最大位移为5.0 mm。桩基框架最大水平位移发生在沿铁路走向方向冠梁端部与桥台连接处，该处桥台和桩基框架以植筋连接，雨后12 h最大位移为4.6 mm。

3.2.2桩身弯矩

在同一降雨强度、不同降雨持续时间的影响下，3根桩的弯矩分布情况如图9所示。降雨初期，桩3所承受的弯矩最大，桩1次之，桩2稍小。随着降雨持续时间的增长，3根桩的桩身所承受的弯矩逐渐增大，但增大的趋势略有所缓和,桩3明显先急后缓，桩1和桩2增加较平稳。降雨12 h后，3根桩共同受力，弯矩分配较均匀，且完全满足承载要求。

图9　桩身弯矩变化趋势

4结论与建议

(1)针对实际工况设计的非对称框架加固方案满足安全要求，可为类似复杂工况提供指导。工程中应根据实际受力情况进行加固设计，避免盲目套用其他工程的加固方案而造成不必要的浪费及工期的拖延。

(2)在最不利降雨条件下，随降雨持续时间的增加，3根抗滑桩所承受的弯矩和水平位移逐渐增加，且增加趋势缓和平稳，说明更多的侧向坡体荷载被转至抗滑桩承担。另外，桥台和桩基框架最大水平位移增加平缓且数值相近，完全满足承载能力的要求，据此可以推断桩基框架局部托换和抗滑加固效果较好，已经形成协同受力体系。

(3)桩基框架最大水平位移随着降雨持续时间的增加呈现先快后慢的增长趋势，最不利位置为桩1处冠梁的端部，因此，该工程应重视最不利位置处桥台与冠梁间的植筋连接。建议加强对该区域的监测，避免出现受力不足而拔出的危险。

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中图分类号：U418.5+2

文献标志码：A

收稿日期：2015-11-13

作者简介：耿大新(1977-),男,山东济南人，副教授,博士,硕士生导师,主要从事岩土工程和隧道工程等方面的教学和科研工作.

基金项目：江西省自然科学基金项目(20142BAB206002)

文章编号：1672-6871(2016)03-0058-06

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.03.013