河床抛石荷载对既有桥墩结构的影响分析

邹永祥，谢富明

（1、北京市市政工程设计研究总院有限公司 北京 100080；2、广州大学土木工程学院 广州 510006）

0 引言

随着公用与民用设施建设的不断发展，越来越多的城市内河受到灾难性的污染，严重影响着城镇居民的正常健康生活。为提供更加舒适便利的居住环境，相应部门需要对河道进行开挖和整治［1］。然而，河涌整治工程场地周边轮廓常与高架桥、地铁隧道等基础设施相交。同时，当开挖土体作为弃土堆载时，将改变一定范围内土层的应力状态，可能导致桥墩与上部结构出现倾斜或偏移，甚至影响周围构筑物的正常运营使用安全。我国东南沿海地区分布着大量软弱地层，受施工扰动影响大，变形控制要求严格［2-4］。在施工过程中不仅要保证本工程自身的结构稳定性，更要保证周围构筑物的安全性，不得超出规定的限定值，否则后果不堪设想［5-7］。

在施工前对工程场地与荷载进行计算分析，在结构相对不利位置处采取有效的加固措施能在一定程度上减少构件变形与破坏［8-10］。由于传统弹性理论分析在面对复杂工程情况时，无法精确得出变形破坏情况，因此在目前工程设计阶段中一般采用数值模拟方法进行计算与验证。郑刚等人［11］采用数值分析方法研究了基坑开挖对邻近桥墩结构的水平侧移和弯矩的影响，并提出相关加固措施与监测建议；孟繁增等人［12］应用大型计算软件PLAS对邻近高铁桥墩基坑开挖工程进行数值试验，将计算结果与桥墩隆起变形实时监测进行对比分析；黄文彬等人［13］结合深圳市某住宅楼基坑工程，基于有限元数值模拟方法，探究了基坑开挖引起的土体变形可能对地铁桥墩造成的影响。

目前，各专家学者对土体开挖卸载关注度较高，而土的堆载变形却鲜有耳闻。对此，本文结合深圳市宝安区某河涌综合整治案例，利用二维数值模拟计算方法及实时监测变形分析，研究河涌开挖时抛石挤淤和堆土荷载对邻近桥墩变形与荷载的影响。同时，对比数值模拟试验结果和实际监测变形情况，进一步验证模型的合理性。该成果对今后类似工程实际问题的处理具有一定的指导意义。

1 工程简介

1.1 工程概况

该河涌整治工程位于深圳市龙华区德丰村附近，位于珠江口水系最北段，流域面积2.22 km2，全长3.70 km。河道沿线原始地貌形态属于深圳市西部的冲积海积平原地貌小区，后经工程建设改造后，地形相对较为平坦，地面高程3～4 m，河床高程-0.5～0.5 m，河道宽约4～20 m，整治工程河道整治全长约为2.035 km。

该河涌整治施工区域在平面上与已建松岗一号桥有一定相交，松岗一号桥部分桩基承台在河道红线范围内，其中11#、12#、13#墩柱一半位于河岸，一半位于 河 底，11#～13#墩 桩 基 直 径 为2.4 m，桩 长39.9～43.7 m。平面位置如图1 所示。该段需要施工的内容依次为河底抛石挤淤、岸边抛石护脚、坡面砌块护面等。在项目场地中存在深厚软弱土层，淤泥平均厚度高达13 m，软弱土层的存在导致抛石挤淤施工时产生较大附加应力并加剧水平方向位移，极易引起局部土层与邻近桥墩产生不容忽视的位移量。

图1 河道与桥墩平面关系图Fig.1 Plane Diagram of Relationship Between River and Pier

1.2 工程重点

在施工过程中，河道开挖和弃土堆载将扰动软土地层并改变土体的应力状态，根据位移传递规律计算可知紧邻的桥梁桥墩基础势必受到相应影响，但传统弹性理论无法准确计算周边建筑物随土体开挖过程的变形情况，因此，确保桥梁桥墩变形在允许范围内是一个极具挑战性的难题。需要重点计算和分析抛石挤淤、桥墩两侧堆石施工对桥墩的变形影响，并对比实时监测结果来验证数值模拟结果的准确性，保证桥梁的正常安全运营。考虑该工程最不利条件，选取12号右侧桥墩建立模型计算分析，如图2所示。

图2 12号桥墩剖面图Fig.2 Profile of Pier No.12 （mm）

2 数值模型的建立

基于河涌综合整治工程水工结构工程设计施工图，采用有限元方法，借助岩土工程专用有限元软件MIDAS∕NX 开 展 河 涌 综 合 整 治施工全过程模拟，建立二维模型进行计算，分析抛石挤淤对既有桥墩结构的作用和桥墩侧向堆石诱发的土压力变化对既有桥墩结构的影响，模型网格如图3所示。

图3 模型网格Fig.3 Model Grid

需要同时分析抛石挤淤、桥墩两侧堆石对既有桥墩结构力学行为的影响，厘清河涌综合整治施工时，邻近既有桥墩产生的位移变形和结构力学效应。

在总体模型计算区域的选取中，综合考虑了抛石挤淤施工、邻近既有桥梁墩台引起的边界效应，同时结合工程实践经验，确定模型尺寸长与宽分别为30 m、20 m。计算模型侧向施加水平约束，底部为竖向约束，顶面为自由面，不加约束。

2.1 地质条件

拟建工程沿线的特殊性岩土主要有成分复杂的杂填土、软土（淤泥）与中粗砂。本次分析的土层参数及本构关系如表1所示。

表1 土层物理力学参数Tab.1 Mechanical Parameters of Soils

2.2 设计工况

本模型试验共设4 个分析步，分别对应4 个施工步骤，具体情况如表2 所示。第三个分析步主要用于评估抛石挤淤施工对既有桥梁结构的影响，考虑了抛石挤淤施工引起的增量位移，故需要对既有桥梁结构施工和初始应力场引起的位移进行平衡。第4个工况关注的是桥墩两侧堆石施工对既有桥墩结构的影响，主要考虑的是桥墩两侧堆石荷载引起的位移及其诱发的土压力交替变化情况。

表2 模拟施工步骤Tab.2 Simulated Construction Steps

3 桥墩结构力学响应

3.1 变形结果分析

采用数值模拟方法计算分析河涌整治各阶段下邻近桥墩的变形情况，判定变形是否符合控制要求，需要重点分析抛石挤淤和桥墩两侧堆石对桥墩的影响。相应规范指出，桥墩水平位移控制值为3 mm，竖向位移控制值为15 mm，定义位移指向坐标正轴为正，反之为负。

3.1.1 抛石挤淤对既有桥墩结构的位移影响分析

图4 为抛石挤淤施工后的既有桥墩位移云图，由于抛石挤淤和既有桥墩结构距离较近，施工过程中产生的附加应力向水平方向传播时，必然引起淤泥土层的蠕动，由于抛石挤淤体的大荷载量，桥墩结构将受挤淤产生的附加应力，当其足够大时将导致桥墩结构周围淤泥层产生一定变形。抛石施工对竖向位移的影响相对较小，桥墩位移主要体现在水平方向上。

根据既有桥墩位移云图4，可列出抛石挤淤施工完成后不同方向最大位移结果如下：工况3的X向峰值位移分别1.22 mm、0 mm；Y向峰值位移分别为0.06 mm、-0.11 mm。

图4 工况3抛石挤淤施工后既有桥墩位移Fig.4 The Bridge Pier Displacement Existed after the Construction of Riprap Silting in Working Condition 3

结果表明，既有桥梁结构的水平位移极值为1.22 mm，出现在桥墩上柱顶部。桥墩竖向位移极值为0.11 mm，由抛石挤淤产生的附加应力所致，出现在淤泥土层边界处。

3.1.2 侧向堆石对既有桥墩结构的位移影响分析

图5为桥墩侧向堆石施工后引起的既有桥墩位移云图，堆石施工会改变桥墩位移场和使桥墩侧向压力增加，必然会对既有桥墩产生影响。由于堆石在桥墩两侧，容易使土体发生水平侧移，使桩挠曲、水平变形，产生较大的弯矩；桥墩竖向位移的产生是由于土层受到堆石竖向荷载的影响，桩身产生负摩阻力，进而产生不均匀沉降。

图5 工况4桥墩两侧堆石施工后既有桥墩位移Fig.5 The Bridge Pier Displacement Existed after Rockfill Construction on both Sides of Bridge Pier in working Condition 4

根据图5，提取可得桥墩两侧堆石施工完成后不同方向最大位移结果汇总如下：工况4的X向峰值位移分别0 mm、-1.53 mm；Y向峰值位移分别为0.02 mm、-0.21 mm。结果表明，既有桥墩结构的水平位移极值为1.53 mm，出现在桥墩上柱柱顶处。桥墩竖向位移极值为0.21 mm，由抛石挤淤产生附加应力所致，出现在淤泥土层边界处。

为保证河涌整治期间松岗一号桥保持正常运营及其桥墩结构安全，对其邻近桥墩进行现场检测。本项目采用精密水准测量仪（拓普康DL101C）、电子全站仪、铟瓦水准标尺、数字测斜仪等设备对河涌整治过程中桥墩结构的水平、竖向位移变形情况进行全过程监测，工程实时监测结果与数值模拟结果如表3所示。

表3 数值模拟与工程监测结果对比Tab.3 Comparison between Numerical Simulation and Engineering Monitoring Results

由表4 可知，堆石荷载对桥墩的变形影响略微大于抛石挤淤施工，在河涌整治过程中，桥墩水平方向受到的变形影响大于竖向，这与倪恒等人［14］的发现一致。桥墩水平位移极值为1.53 mm，少于规范的桥桩桩顶水平位移控制值3 mm。桥墩竖向位移极值仅为0.21 mm，远小于桥桩允许沉降控制值15 mm，结构处于安全状态。实际监测值与由数值模拟结果基本重合，进一步证实了模型的可行性，为保证施工过程中桥墩的正常运营，可对桥墩上柱柱顶和淤泥土层边界处重点监测。

3.2 侧向堆石诱发的土压力分析

桥墩两侧堆石施工时，将会在邻近桥墩位置处堆积大量弃土，由于堆载位于在桥墩两侧，且两侧堆石体积相当，则受到的堆石土压力值无较大差距，此时桥墩承受的主要荷载为堆石本身的自重，对桥墩形成侧向挤压，严重时会造成结构的破坏，如图6所示。

图6 桥墩两侧堆石施工前后既有桥墩应力变化Fig.6 Variation of Stress on Existing Piers before and after Rockfill Construction on both Sides of Piers

根据图6，提取桥墩两侧堆石施工前后土压力对比结果，如图7 所示。土压力随着土层深度的增加而增加，最多可达到72.93 kN，堆石前后的土压力相差不大，在桥墩下柱处，施工后土压力增加3.18 kN，总体水平较低，对结构的影响不大，即既有桥墩仍处于安全状态。

图7 桥墩两侧堆石施工前后既有桥墩土压力对比Fig.7 Comparison of Earth Pressure of Existing Piers before and after Rockfill Construction on both Sides of Piers

4 结论与建议

本次分析借助大型有限元软件建立深圳市宝安区某河涌综合整治项目施工全过程二维计算模型，重点分析了抛石挤淤、桥墩两侧堆石对邻近松岗一号桥既有桥墩结构受力变形特性，并通过实时变形监测值和数值模拟值的对比分析，开展了分析与评估，主要得到如下结论：

⑴桥墩两侧堆石荷载对桥墩变形的影响略大于抛石挤淤施工，其中水平位移极值为1.53 mm，竖向位移极值为0.21 mm，满足《铁路桥涵设计规范：TB 10002—2017》的要求，实时监测位移与数值模拟结果基本保持一致，证实了模型和数值方法的可行性。

⑵既有桥墩土压力在两侧堆石施工后会稍微增加，但总体相差不大，对结构的变形影响可以忽略不计。

⑶河道综合整治项目施工对松岗一号桥既有桥墩结构的影响较少，按原有施工方案进行施工，能确保桥梁既有结构的安全与稳定，但根据数值模拟结果，桥墩上柱柱顶和淤泥土层边界处变形比较大，需要进行重点监测，以保证桥梁的安全运营状态。