邻近场地挖填方对既有桥梁桩基影响的数值分析

方 睿

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210019）

0 引言

近年来，国内公路桥梁和城市桥梁桩基发生偏移甚至断桩的事故时有发生。究其原因，在既有桥梁桩基邻近处填方或挖方是造成事故的主因之一。在既有桥梁附近填土或开挖使桩基处土体发生水平位移，过大的土体位移导致临近桩基发生弯曲或剪切变形，当变形突破极限时则造成桩基破坏。本文旨在探讨在既有桥梁侧挖填施工，原有桥梁桩基的水平位移控制标准，并针对实际案例开展数值模拟分析，为此类工程的设计和施工提供参考。

1 工程概况

本文以国内某一线城市绕城公路城市化交通改造工程中某枢纽互通绿化调坡工程为例，开展邻近场地挖填方对既有桥梁桩基影响的分析。桥梁宽9m，墩中心距27.3m，桥墩承台宽5.2m，每墩四桩，桩长49m，桩径1.2m。该工程项目地形改造以填挖方为主，挖方最大深度达8m，填方最大高度约6m。根据工程填挖方情况，将工程施工区域分为仅侧方开挖、侧方+下方开挖、仅侧方填土、侧方+下方填土4 种工况，采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟[1]。

2 桥梁桩基变位控制标准分析

根据国内的实际情况，本文主要选取了我国的《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T3650-2020）[2]，《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）[3]，《建筑基坑工程监测技术标准》（GB 50497-2019）[4]等国内相关领域桩基设计技术规范，对上述规范中桩基水平位移的限值进行了梳理（见表1）。

在国外，美国交通研究委员会将“桩基不可承受的变形”即变形控制标准定义为：该变形将导致上部建筑结构的破坏，因而需要付出高昂的维护或者修复费用，甚至重新修建更昂贵的结构。

Bozozuk（1978）通过对美国、加拿大150 座采用桩基础支撑的桥梁墩、台调查统计，给出了基桩桩顶变形的允许值（见表2）。

表2 Bozozuk（1978）桩基变位容许值（单位：mm）

美国国家工程部1978～1983 年搜集了美国及加拿大境内314 座桥梁的基础变位、结构破坏的现场数据，设定了桥梁可承受的变形标准（见表3）。

综合上述规范和标准，分析后认为一般公路、城市道路中等跨度（25～40m）桥梁桩基水平向变位容许值宜取25mm。

3 数值计算模型建立与结果分析

3.1 数值计算模型建立

根据工程实际情况，建立相应的数值计算模型。考虑到承台变截面结构对计算结果影响不大，将承台以上部分简化为等截面，箱梁简化为实体梁，两桥墩间的路线简化为直线[5-6]。桥桩模型如图1 所示，土层分布如图2 所示，土层参数取值见表4。整个土体模型长200m，宽55m，高60m，桥桩结构与土体采用接触模型，接触模型示意图如图3 所示。整个计算模型的网格划分如图4所示，计算模型共21004个计算节点，17485个计算单元，采用三维八节点应力计算模型。限制土体模型边界x，y方向位移和地面三个方向的位移，限制桥梁边界y方向的位移。

图1 桥桩模型示意图

图2 土层分布示意图

图3 接触模型示意图

图4 网格划分展示图

表4 各土层参数取值统计表

3.2 不同工况计算结果分析

本次研究主要分析了4种工况（见图5～图8），对各种工况下施工前后的桩基沉降变形、轴力变化、侧向位移、侧向应力、桩身剪力、桩身弯矩等进行对比分析。

图5 侧面+下方开挖计算工况

图6 仅侧面开挖计算工况

图7 侧面+下方填土计算工况

图8 仅侧面填土计算工况

3.2.1 侧面+下方开挖工况分析

深挖侧最大开挖深度8m，开挖宽度40m；桥梁下方及浅挖侧最大开挖深度4m，开挖宽度40m。保留桥墩承台周边正方形宽度的土体，其宽度取为桥梁正下方投影的宽度。在此工况下，针对深挖侧深度和宽度进行参数分析。

（1）在浅挖侧深度和两侧开挖宽度不变的情况下，对深挖侧开挖深度分别取0m，2m，4m，6m，8m 和10m进行参数分析，分析结果如下：

①结构沉降变形随深挖侧挖方深度先上抬后下沉。深挖侧挖方深度在2～7m 区间，由于两侧土体回弹带动中间桥体抬升，最大抬升4mm；深挖侧挖方深度大于7m，则结构沉降随深度增加而不断增大。

②桥桩轴力在深挖侧开挖深度小于6m 时，随开挖深度变大而变小；大于6m 时，反而随开挖深度增大逐渐增大，当深度大于10m 时轴力超过了开挖前水平。这主要是因为开挖深度增大，桥桩变形引起重心改变导致的。

③桩身整体向深挖侧变形，最大侧向位移值随两侧开挖深度差值变大而变大。当开挖深度差异超过4m 时，桩身最大侧向位移接近23mm。桩身最大剪力、最大合弯矩随两侧开挖深度差值增大而变大。不同开挖深度对结构侧向应力的影响并不显著。

（2）在浅挖侧、深挖侧深度及浅挖侧宽度不变的情况下，对深挖侧开挖宽度分别取10m、20m、30m、40m、50m和60m进行参数分析，分析结果如下：

①结构沉降变形随深挖侧挖方宽度的增大而变小，且变化速度逐渐减缓，当开挖宽度达到50m 时，沉降变形不再减少。

②桩身整体向挖方量大的一侧发生位移，最大侧向位移值随差异挖方量的增大而变大。在相同的挖方深度差值情况下，控制桥桩两侧挖方量的差异可有效控制结构侧向位移。

③深挖侧不同开挖宽度对桩身轴力、桩身侧向应力、桩身最大剪力、桩身最大合弯矩的影响均很小。

3.2.2 仅侧面开挖工况分析

仅在桩基一侧开挖，挖深6m，开挖宽度30m，开挖面距桩基15m。在此工况下，针对开挖面与桩基距离，分别取5m、15m、25m、35m 和45m 进行参数分析，分析结果如下：

（1）结构沉降变形随侧面开挖距离先增大后减小，在距离15m左右时最大沉降变形约1.6mm。

（2）桩身整体向开挖侧变形，最大侧向位移随侧面开挖距离的增大而显著减小。当开挖距离为5m 时最大侧向位移为14mm，开挖距离达到45m 时最大侧向位移为4mm，说明增大开挖距离可有效控制结构侧向变形。

（3）不同的侧面开挖距离对桩身轴力、桩身侧向应力的影响均不明显。

（4）桩身最大剪力、最大合弯矩随侧面开挖距离的增大而减小，当距离超过50m时基本可以忽略。

3.2.3 侧面+下方填土工况分析

低填侧及桥梁下方最大填土高度2m，填方宽度20m；高填侧最大填土高度4m，填方宽度20m。在此工况下，针对填方高度和宽度进行参数分析。

（1）在低填侧高度和两侧填方宽度不变的情况下，对高填侧填方高度分别取0m，2m，4m，6m 和8m进行参数分析，分析结果如下：

①由于选取案例存在软土层，填方的增高将使得结构沉降显著增大，当高填侧填方高度为5m 时，桥面沉降约50mm，当高填侧填方高度为8m 时，桥面沉降接近200mm。

②桩身整体向低填侧变形，最大侧向位移值随高差变大而显著增大。在填方高度相差2m 时，最大侧向位移为14mm，在填方高度相差4m 时，最大侧向位移达到了34mm。因此，本案例所处地质条件下填方高差不宜大于2m。

③桩身最大剪力、最大弯矩的大小随填方高差变大而变大，且在相同高差时，填土高度越大剪力值越大。随填方高度的增高，桩身轴力及侧向应力变化幅度整体呈现增大趋势，但相对于增幅并不显著。

（2）在低填侧、高填侧填方高度及低填侧宽度不变的情况下，对高填侧填方宽度分别取10m、20m、30m、40m和50m进行参数分析，分析结果如下：

①桥面沉降变形、桩身最大剪力、最大弯矩随高填侧宽度的增大而增大，但增大速率逐渐减小，当填方宽度大于40m 后沉降变形、最大剪力和弯矩基本不再增加。

②桩身整体向低填侧位移，最大侧向位移随高填侧填方宽度的增大而增大，但增大速率不断减小。当填方宽度大于40m 时，侧向位移接近24mm，因此应尽量减小填方宽度以控制结构侧向位移。

③桩身轴力、侧向应力在高填侧不同填方宽度情况下变化幅度很小。

3.2.4 仅侧面填土工况分析

仅在桩基一侧填土，填高2m，填土宽度20m，填方边坡距桩基15m。在此工况下，针对填方边坡与桩基距离，分别取5m、15m、25m、35m 和45m 进行参数分析，分析结果如下：

（1）桥梁的沉降变形随着填方边坡与桩基的距离增大而减小，距离5m 时沉降约2.3mm，距离大于40m后基本可忽略。

（2）桩身整体向非填方侧变形，最大侧向位移值随填方距离的变大而减小，填方距离5m 时，17m 深度处最大侧向位移10mm；桩身最大剪力及弯矩的大小均随侧向填方距离的变大而减小。

（3）桩身轴力及侧向应力受侧向填方不同填方距离的影响并不明显。

4 结束语

综上所述，在既有桥梁桩基邻近处进行填方或者挖方，会引起桩基发生偏移甚至出现断桩事故，造成严重的后果。为了避免此类事故的发生，工程参与各方一定要明确：（1）既有桥梁侧土方开挖和填筑，会影响桩基的水平向位移；（2）填方高度和挖方深度是土方施工引起邻近桥梁和桩基变形的主要因素；（3）控制挖方或填方范围，增大挖方或填方区域与既有桥梁桩基的距离，可有效减小填挖施工对邻近既有桥桩桩基的影响。另外，对于在软土地基既有桥梁侧进行土方开挖和填筑的工程，除通过数值模拟分析挖填土方对邻近既有桥桩结构的影响外，还应该在施工时加强对桥桩结构的变形监测。