堆土对既有高速公路桥梁桩基稳定性影响分析

林 刚，李运胜，赵 毅

(浙江省地矿勘察院有限公司,浙江 杭州 310012)

1 概述

伴随我国经济迅速发展,高速公路需求量日益增加,在高速公路的实际施工过程中,由于地形地貌的起伏或施工空间的限制,会存在大量的挖填方工程,同时伴随着城市地下空间的快速发展(如基坑工程、地铁工程)亦产生了大量的弃土,为处置上述地下工程和挖方工程产生的弃土,在城市高速路附近堆土并修建景观园林成为可能的处理方式,一方面可以缓解城市大量弃土难以处理的压力,另一方面可以在堆土地基上修建景观园林,改善高速公路两侧景观环境,为市民提供休憩场所。但是堆土改变了桥梁桩基附近原有地基的受力平衡,引起土体的应力重分布,同时过大的堆土高度和范围会在桩周产生负摩阻力,造成土体不均匀沉降,堆土在水平向会对桩身产生附加作用,对既有桥墩桩基础水平承载和变形产生不利影响,严重的可威胁桥梁安全[1]。

到目前为止,针对堆土对既有桥梁桩基承载性能的影响,已有学者开展了相关研究。穆保岗等[2]采用ABAQUS软件,分析了大面积堆载下嵌岩桩承载力性能,结果表明:大面积堆载对桥梁桩基竖向承载能力会显著降低,堆载产生的负摩阻力使桩身轴力增大,易对桩身造成破坏,堆载产生的水平作用对桩顶影响最大,对中心范围影响最小;堆载下桩身水平附加应力和土性相关,在土性差的软土层中,出现局部峰值。王崇淦等[3]采用FLAC3D软件分析了大面积堆土荷载对既有高铁桥梁桩基承载性能影响,结果表明大面积堆载造成的土体沉降是影响既有高铁桥梁桩基承载性能的主要原因。孙茂强[4]采用GeoStudio软件分析了堆载土体对邻近桩基的水平位移、应力以及弯矩的影响,结果表明不同分布宽度堆载对桩身水平应力作用规律基本相同。李志伟等[5]采用有限元分析方法分析了邻近线路单侧堆载及双侧堆载对桩基偏位的影响,结果表明在路堤填土和道路荷载的作用下,位于堆载边缘的墩柱及基桩均将发生一定程度的偏位,不对称堆载是导致桥梁桩基偏位的主要原因,对称堆载对于控制墩柱及桩基的偏位具有较好的作用,对控制基桩附加弯矩及裂缝宽度均具有明显效果。聂如松等[6]通过建立三维有限元模型,分析了实际情况下堆载对桥墩变位的影响,其结果与实测数据吻合良好,同时研究了堆载与桥墩之间距离对桥墩群桩基础的内力和变位的影响规律。马远刚等[7]采用有限差分法分析了堆载对桥梁被动桩的影响,结果表明堆载导致桥墩偏移,墩顶横向偏移,基桩产生了较大偏移和弯矩,桩顶轴力和桩身轴力分布不均,并产生不同程度的负摩阻力(距堆载越近负摩阻力越大)。侍刚等[8]采用MIDAS Civil软件分析墩梁错位病害发生的原因及影响程度,结果表明处于软土地基的桥梁在不平衡堆土的作用下使基础和桥墩出现严重横向偏位,墩顶防落梁挡块被挤坏。王晓佳等[9]采用MidasGTS NX软件分析土体堆载对桥梁基础沉降及侧移的影响,结果表明在地质条件多为粉土、黏土的软土地区,大面积堆载将会使既有桥墩基础产生过大的沉降和侧移,且侧移量往往更大。通过以上文献调研可知,现有研究多利用有限元法研究堆载对临近桥梁桩基变形影响,主要集中在大面积堆载、单双侧堆土对比等方面,且以往研究多单一地建立堆土-地基-桩基有限元模型,未计入多种组合效应下桥梁上部结构对桩基承载力的影响,结合规范定量评价桩基承载力损失及考虑堆土作用的桩-土体系稳定性评价方面的研究较少。

本文以杭州某机场高速公路为依托,结合现场地质勘查报告和设计资料,采用Midas有限元软件建立了高架桥箱梁三维模型,在桥面上施加移动荷载,获取各种组合效应下高架桥墩顶反力,同时采用Plaxis 3D有限元软件建立桥墩-承台-桩基-地基下部结构,并将各种组合效应下的高架桥墩顶反力作用至下部结构,分析了堆土作用下的桥梁桩基变形和内力变化规律,最后依据有限元计算结果并参考规范,从单桩竖向承载力、正截面抗压、斜截面抗剪和裂缝宽度等方面,分析了堆土作用对既有高速公路桥梁桩基的承载性能的影响[10]。

2 工程概况

选取案例为浙江省杭州市内某高架桥高速公路,该工程内地貌类型单一,为冲海积平原,地势平坦,较开阔,平原区地面高程一般在5.1 m～7.1 m。工作区在现状除了道路以外,原村庄均已拆迁、农田也多已废弃,根据收集资料,工作区表层有厚度不一的原始填土。地表为层厚不等的填土;浅部地层为冲海积相、冲积相,灰色、灰黄色粉土、粉砂,稍密～中密,厚约9.2 m～18.3 m;中部为海积流塑淤泥质土,厚度约4.8 m～16.3 m,具层理,夹薄层粉土、粉细砂;其下为灰绿色、灰黄色冲湖积相,可塑～硬塑粉质黏土,厚度1.8 m～9.6 m;中下部为冲积粉细砂、圆砾、卵石等,灰色、灰黄色,中密～密实状,厚度较大,厚度约 19.5 m～35.4 m;底部为白垩系砂砾岩,局部差异风化明显,中风化层夹强风化碎块状,偶夹粉砂岩。该案例处于中低纬度,属东亚季风型湿润气候,四季分明,雨量充沛。工作区附近的河流呈网格状,密度较大,水流平缓,受降雨和地下潜水补给。

2.1 堆土情况

由于设计绿化需要,在地面道路南、北侧两侧部分地段进行了人工堆土绿化,设计堆土高度在5.28 m～13.83 m之间,堆土边缘距机场路高架线路中心最近距离在22 m～75.5 m之间,各区块堆土宽度在63 m～252 m之间。本文选取一个代表性截面进行计算分析。北侧堆土最大设计高度为5.75 m,堆土边缘距机场路高架桥中心线约为30 m;南侧堆土最大设计高度约7.83 m,堆土边缘距机场路高架桥中心线约为25 m,两侧堆土示意图如图1,图2所示。

选取截面土层参数表如表1所示。

表1 土层层厚及重度参数表

2.2 桥梁特性

本截面承台类型为9桩承台,桥墩厚、宽、高分别为2.2 m，2.5 m，12.95 m,桩基直径为1.5 m,桩长为57.8 m,桩间距为3.75 m,承台长、宽、高分别为10 m，10 m，3 m,该高架桥结构图如图3所示。桩身材料为C30混凝土,1.5 m桩径桩身纵筋型号为HRB335,桩顶以下20 m钢筋为28Φ25,桩顶以下20 m～35 m钢筋为14Φ25,螺旋箍筋型号为HPB300,桩顶以下5 m为加密区Φ10@100 mm,桩顶以下5 m～35 m为Φ10@200 mm。

截面四跨连续梁桥的墩桩参数如表2所示。

表2 截面四跨连续梁桥的墩桩参数

3 计算模型

3.1 上部桥梁模型及墩顶反力计算

为计算机场高速高架桥上部结构传至桥墩和群桩基础的恒、活载,本文采用Midas软件建立高架桥箱梁三维模型,并在桥面上施加移动荷载,同时考虑了混凝土徐变与收缩、温度及基础不均匀沉降等因素对高架桥墩顶反力的影响。参考《公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范》,依据最不利布置原则对横、活载种类各种组合效应进行计算。桥梁模型为四跨连续梁桥,箱梁为预应力混凝土现浇箱梁,桥跨布置为4×35 m,桥宽33 m,梁高为2.4 m,横截面为单箱五室。箱梁顶、底板平行,悬臂长3.5 m,顶板厚0.3 m～0.6 m,底板厚0.28 m～58 m,腹板厚0.5 m～0.9 m,中横梁厚3.0 m,端横梁厚1.8 m,跨中和支点处断面如图4,图5所示。

桥梁计算软件采用Midas Civil,全桥共75个节点,64个梁单元,全桥有限元模型如图6所示。采用Midas Civil软件建立高架桥箱梁三维模型,并在桥面上施加移动荷载,同时考虑了混凝土徐变与收缩、温度及基础不均匀沉降等因素对高架桥墩顶反力的影响。通过计算,求得三种组合效应下墩顶反力,结果如表3所示。

表3 既有恒、活载作用下桩基内力

桩基直径为1.5 m,桩基主筋直径为25 mm的二级钢,主筋共28根,采用桥梁通计算桩基强度及裂缝,桩基正截面抗压承载力为20 060.5 kN;裂缝0.04 mm,小于0.2 mm,故满足要求,且安全储备较大。

3.2 堆土-线路结构有限元模型及计算

本节采用Plaxis 3D有限元软件建立了堆土-线路结构有限元模型,地基和土堆采用实体单元离散,土体本构模型采用小应变土体硬化高级本构模型(HSS模型)。桥墩为C40钢筋混凝土,采用板单元离散,采用线弹性本构。承台为C30钢筋混凝土,采用实体单元离散,采用线弹性本构。基桩为C30钢筋混凝土,采用Embedded桩单元模拟,该单元类型自带桩土界面功能,可设置桩侧极限侧摩阻力和极限端阻力,适用于桩土相互作用模拟。

土层参数如表4所示。

表4 不同土层HSS本构模型参数表

桥墩计算参数表如表5所示，承台计算参数表如表6所示，钻孔灌注桩计算参数表如表7所示。

表5 桥墩计算参数表

表6 承台计算参数表

表7 钻孔灌注桩计算参数表

地基模型深度尺寸取为桩底以下50 m,地基模型长度方向(线路纵向)各由连续梁两端承台外延25 m,地基模型宽度方向(垂直于线路延伸方向)则在堆土宽度外边缘外延25 m,从而消除模型边界的影响。模型四侧面水平约束设为水平方向固定、竖直方向自由,模型底面的三向自由度均固定,模型三维透视图如图7所示。

将算得的墩顶反力组合效应值施加到建立的土堆-线路结构Plaxis 3D有限元模型中,通过4个分析步:1)初始应力场生成;2)激活承台、桥桩、桥墩和墩顶荷载;3)激活外侧堆土;4)进行强度折减分析。计算分析堆土作用下的桥桩变形和内力,结果如图8，表8所示(表中x方向为沿高架桥方向,y方向为垂直高架桥方向)。

表8 截面变形和内力统计表

4 计算结果分析

线路附近堆土可能引起桩周土沉降大于桩基沉降,引起桩侧负摩阻力,在进行桩基竖向承载力验算时,需考虑桩侧负摩阻力的影响。由于堆土在水平向对桩身产生附加作用,还应验算桩身正截面抗压承载力、斜截面抗剪承载力和裂缝宽度是否满足规范要求,正截面抗压承载力和裂缝验算选取在桩身弯矩最大处,斜截面抗剪承载力验算选取在桩身最大剪力处。以有限元模型计算结果为基础,参考《公路桥涵设计通用规范》[11]、《公路桥涵地基与基础设计规范》[12]、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[13]、《混凝土结构设计规范》[14]分析典型断面桥梁桩基承载力和裂缝验算。

4.1 单桩竖向承载力验算

依据《公路桥涵地基与基础设计规范》和地勘报告,开展单桩竖向承载力验算。桩基参数如表9所示。

表9 桩基参数 m

侧阻计算如表10所示。

表10 桩侧阻标准值计算表

单桩负摩阻力计算如下:

其中，Nn为单桩负摩阻力，kN;μ为桩身周长，m;li为中性点以上第i层土层的厚度，m;qik为与li对应的各土层与桩侧负摩阻标准值，kPa。桩基持力层为强风化砂砾岩,中性点深度比ln/l0为1。堆土对单桩承载力影响如表11所示。

表11 堆土对单桩承载力影响

4.2 正截面抗压承载力和裂缝宽度验算

由于堆土在水平向对桩身产生附加作用,还应验算桩身正截面抗压承载力、斜截面抗剪承载力和裂缝宽度是否满足规范要求。

正截面抗压承载力和裂缝验算选取在桩身弯矩最大处。选取对应承台角桩进行验算,桩身最大剪力V为117 kN;桩身最大弯矩M为476 kN·m。验算截面基本组合内力表如表12所示，验算截面频遇组合内力表如表13所示，正截面抗压承载力验算结果如表14所示，裂缝宽度验算结果如表15所示。

表12 验算截面基本组合内力表

表13 验算截面频遇组合内力表

表14 正截面抗压承载力验算结果

表15 裂缝宽度验算结果

4.3 斜截面抗剪承载力

抗压构件斜截面抗剪承载力验算依据《混凝土规范》6.3.15条,桩身圆形截面按照等效惯性矩方柱验算,验算位置选取在各典型截面角桩最大剪力位置处,内力信息选自截面承台角桩基本组合内力表中最大剪力处的轴力、弯矩和剪力。桩基斜截面抗剪承载力验算结果如表16所示。

表16 桩基斜截面抗剪承载力验算结果

斜截面抗剪承载力验算结果表明:按照构造要求控制配筋,桩基斜截面抗剪承载力验算通过。

4.4 截面滑动稳定性

为进一步分析堆土体、桥梁基础和地基的整体稳定性,本节建立了各代表性区块的三维有限元模型,在上述塑性分析步的基础上进行强度折减分析,从而获得南北两侧堆土影响下的地基滑移场和对应的稳定性系数。

在三维有限元模型的基础上可进行强度折减分析,从而获得两侧堆土影响下的地基滑移场和对应的稳定性系数。截面滑动破坏面云图如图9所示,由图9可知,截面的滑动面基本位于土堆坡角,未见切穿群桩基础、连通南北侧地基的深层滑动面。稳定性系数为2.143,大于规范中一级永久边坡一般工况所要求的滑动稳定性系数1.35。滑动面位置为土堆坡角附近。

5 总结及建议

本文以杭州某机场高架高速路为案例,使用Midas Civil,Plaxis有限元模型软件计算分析堆土作用下桥梁桩基础的内力和变形规律,并结合相关设计规范,依据计算结果从单桩竖向承载力、桩基正截面抗压承载力、斜截面抗剪承载力和桩基最大裂缝宽度等方面,分析了堆土对既有高速公路桥梁墩桩基础承载能力的影响。结论和建议如下。

5.1 结论

1)案例选取地层条件稳定单一,四跨连续梁桥的桩基正截面抗压承载力为20 060 kN大于桩基竖向力最大值6 402.3 kN,桩顶裂缝宽度为0.04 mm小于0.2 mm,故满足规范要求,且安全储备较大。

2)堆土荷载引起的桩身水平位移最大处在软土层附近,桩身顶部和位于基岩部分的桩的位移很小，表明近距离堆土会导致桩身水平位移显著增大,故应严格控制堆土和高架桥之间的距离。

3)选取的典型截面规范验算结果表明:高架桥桩基竖向承载力大于桩顶竖向作用力,表明桩基竖向承载力满足要求;桩身弯矩最大位置处的正截面抗压承载力大于该位置处桩身轴力值,表明正截面抗压承载力满足规范要求;桩基斜截面抗剪承载力按构造要求控制配筋,即可满足规范要求。

5.2 建议

1)目前该项目监测点仅位于高架桥桥墩和堆土区域,为更清楚了解线路基础和结构的受力变形发展情况,建议增加桥桩裂缝和箱梁接缝监测点,并监测桥墩两侧深层土体的位移。

2)为保证排水顺畅,建议做好堆土场地内外的排水系统。