软土区路基填筑对邻近桥台排桩侧推效应分析

王卫强,张 浩

(1. 苏交科集团股份有限公司 南京市 210017;2. 郑州大学 郑州市 450000)

0 引言

软土地区桥台桩基受力机制复杂,往往在支撑上部桥梁结构荷载的同时,还需承担因邻近路基填筑引起软弱土层侧移的推挤作用[1]。目前,针对如何考虑软土侧移对邻近桩基的影响,尚没有明确的计算分析方法,即使《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG 3363—2019)也没有给出具体可靠的建议,致使软土地区公路桥涵修建中出现因紧邻堆载导致结构桩基偏移的病害[2]。

近些年来,国内外学者通过现场实测或模型试验,并结合数值分析,对软土侧移作用下桥台基桩的工作性状开展了相应研究。基于离心模型试验和有限元分析结果,Xiao等[3]考虑了地基处理对软土区桥台桩基的被动受荷效应的影响;为了更好的揭示工程实际状况,一些有针对性的有限元模型和土层本构也被应用到了桥台桩基的数值分析中[4]。然而,对于工程设计人员来说,这些数值分析中的高级处理技术和代码并不易被掌握。

为了合理评估软土侧移对邻近桥台桩基的不利影响,Springman等[5]采用平均侧向推挤力来表征软土侧移作用,在考虑桩土相对刚度、相对位移和土体强度等因素的基础上,给出了桥台桩的简化计算方法;参考水平主动受荷桩的受力分析,Zhang等[6]通过修正塑性变形理论模型与极限平衡理论,给出了路堤边载作用下既有桩基的土体侧移推挤作用计算方法。文章结合南京某公路桥台偏移事故,基于塑性理论构建了土体侧移对桥台双排桩的推挤作用模型,采用桩身受力响应矩阵传递法对事故桥台桩基进行了计算分析,揭示了软土地基桥台排桩的破坏机理,为软土区桥台双排桩受力响应分析提供了一种分析方法。

1 工程病害实例

南京某新通道工程设计为一级公路,设计速度100km/h,全长约45.9km,其中穿湖段长约12.6km,并与湖中大堤公路平交,如图1所示。原有大堤公路高约5.5m,两侧为新建新通道公路的引桥,因线路平交要求和考虑穿湖段路基浸水影响,两侧引桥桥台间填土填升至6.0m。场区地层自上而下分别为素填土、淤泥质粉质黏土、硬塑状粉质黏土、强风化和中风化砂砾岩,土层物理力学指标见表1。

表1 主要土层物理力学指标

图1 工程示意图

大堤两侧桥台均采用肋板式,横桥向3道肋板,肋板横桥向宽度为1m,肋板平均高度5m,每道肋板下设置承台及两根1.2m直径钻孔灌注桩,桩基横向间距4.6m,纵向间距3.5m。考虑到场区分布有淤泥质软弱土层,地基采用刚性桩进行处理,考虑到桥台已经施工,为了防止管桩施工造成桥台偏移,刚性桩采用素混凝土桩,桩间距2.5m。然而,当左、右两侧桥台施工结束,并完成台后填土施工,在进行桥梁支座轴线放样时,发现左、右两侧桥台均出现了远离大堤方向的偏移。

台后填土结束15d后,左侧、右侧桥台分别向两侧远离大堤方向发生67～68mm和43～53mm水平位移;当后续施工开始运输盖梁并堆载时,两桥台的水平位移又进一步加剧,左侧桥台向左水平位移达到95～104mm,右侧桥台向右水平位移49～66mm。

由现场工况和地勘资料可以判定该偏移病害的主要原因是场区浅层分布一层厚约8.0～9.8m淤泥质粉质黏土。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》对该层土承载力验算。在台后填土荷载作用下,淤泥质粉质黏土承载力不足,极易发生侧向变形而对桥梁墩台产生较大推挤作用。虽然工程设计中在桥台后侧填土区域局部进行素混凝土桩地基处理,但由于桩间距较大,对软弱土层无法起到加固止移作用。

2 软土侧移推挤作用分析

考虑到桥台结构特点与临近填土堆载影响,基于Ito局部塑性变形理论[7],构建侧移软土与桥台双排桩相互作用的动态开展模型,如图2所示。

图2 侧移软土与桥台排桩的相互作用模型

当台后填土作用时,基底软弱土层发生侧向位移并对桥台排桩产生推挤;随着填土堆载增加,作用到前排桩BB′面的水平推挤力逐渐增大,桩间逐渐进入塑性状态(Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区);此时,水平推力的进一步增加,塑性区将逐渐对后排桩产生推挤作用,直至侧移土产生推挤作用逐渐消减并达到平衡状态。

假定:单桩与侧移土之间的塑性区开展模式同局部塑性变形模型,且桩间塑性区平衡状态为静土压力状态,即:P0=K0γz,P0为塑性区边界应力;K0为静止土压力系数。

据此,以桩间AA′为水平向坐标原点,基于塑性变形理论,根据各区域土体单元静力平衡条件可计算得出侧移土体-排桩相互作用区域任意位置处的水平作用应力。

(1)Ⅰ区-BB′E′E范围内时:

(1)

(2)Ⅱ区- EE′A′A范围内时:

(2)

(3)Ⅲ区- AA′D′D范围内时:

(3)

(4)Ⅳ区- DD′G′G范围内时:

(4)

考虑临近堆载作用影响,可给出桩间塑性区边界BB′上水平向应力:PBB'(z)=σx(z)+K0γz,σx(z)为临近填土堆载引起的水平向附加应力,可由弹性理论近似求出[2,6]。

考虑侧移土塑性区在双排桩间的开展特点,当塑性区影响到后排桩时,假定前排桩后侧塑性区边界水平应力与后排桩塑性区前侧边界水平应力相同(见图2)。据此,通过以下步骤即可得出侧移土对桥台双排桩的被动荷载作用。

如图2所示,根据临近堆载与桥台桩基工况,可确定桩间AA′和BB′界面上水平向应力PAA′(z)和PBB′(z):

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(3)基于前述假定,将前排桩GG′界面上水平应力PGG′(z)作为后排桩BB′界面水平应力PBB′(z),采用与前排桩相同方法,通过步骤2即可确定塑性区开展对后排桩被动荷载作用Prs(z)。

3 桥台桩身受力响应分析

3.1 桩土相互作用模型

如图3所示,明确侧移土体对桥台桩基的推挤作用后,即可建立桥台双排桩的受力计算模型。上部墩台假定为刚性基础,上部荷载作用:轴力N0,剪力V0和弯矩M0;受台后填土堆载作用,前、后排桩分别受到侧移软土的推挤作用Pfs(z)和Prs(z);根据桩间塑性区的开展情况,前、后排桩后侧还会受到桩周土的抗力作用。

图3 桥台双排桩受力计算模型

假定桩后土体抗力发挥为理想的弹塑性模型:

(10)

式中:pu为土体极限抗力;y为桩身侧向位移;y*为土体抗力极限发挥时所对应的侧向位移;b1为桩身计算宽度;k为土体抗力反应模量,采用三参数地基土抗力模型[6]。

δ为土体抗力修正系数,考虑因桩间土塑性区开展桩后土抗力并不一定完全发挥,根据第2节侧移土塑性区计算方法,可得:

基于桩身受力特点,可得前排桩微分控制方程:

(11)

式中:EI桩身抗弯刚度;Nf前排桩身轴力;yf前排桩侧向位移;pf(z)前排桩土体抗力。

后排桩微分控制方程:

(12)

式中:Nr为后排桩身轴力;yr为后排桩侧向位移;pr(z)为后排桩土体抗力。

当台后填土荷载水平较低时,桩间侧移土体塑性区开展有限,也可能不会有推挤力作用到后排桩,此时后排桩微分控制方程退化为:

(13)

据此,考虑桩周多层土工况,通过桩身离散采用矩阵荷载传递法[6],可建立桥台前、后排桩受力响应矩阵方程:

Uf(n,nn)=Sf(n,nn)…Sf(i,w)…Sf(1,2)Sf(1,1)Uf0=SfUf0

(14)

Ur(n,nn)=Sr(n,nn)…Sr(i,w)…Sr(1,2)Sr(1,1)Ur0=SrUr0

(15)

进而,考虑桩顶边界条件:

Mf0+Mr0=M0;Vf0+Vr0=V0;yf0=yr0=y0;φf0=φr0=φ0

桩端自由时:

Mf(n,nn)=0;Vf(n,nn)=0

Mr(n,nn)=0;Vr(n,nn)=0

桩端固定时:

yf(n,nn)=0;φf(n,nn)=0

yr(n,nn)=0;φr(n,nn)=0

将桩顶和桩端已知边界条件代入式(14)和式(15)即可求解该两个矩阵方程,从而得出剩余的桩顶和桩端的未知参量,进而可得出前、后排桩任意节点处的参量。

3.2 工程案例计算分析

采用上述方法对前述工程病害桥台桩基进行计算分析。由于缺乏地层土体抗力参数,根据原铁道部第二勘测设计院提供的常见岩土体抗力系数经验值0.5～1.4MN/m4,黏土抗力系数取为0.5 MN/m4。台后填土高度取为线路平交设计高度6m;左、右侧桥台承台尺寸11.4m×5.7m×1.6m,桩长分别为36m和30m,均采用钢筋现浇混凝土,桩身弹性模量取38GPa。由于桥台上部结构尚未施工,桩顶承台边界条件M0=0、V0=0,桩顶轴力由墩台自重计算得出,单桩桩顶轴力Ni=433.2kN;桩端边界采用自由约束。

图4所示即为工程中左、右侧桥台排桩的水平位移曲线和桩身弯矩曲线。可以看出,计算所得桩顶承台水平位移量与现场实测结果较为接近。由于桩顶桥台的刚性约束,前后排桩水平位移较为接近,但桩身弯矩分布明显不同,前排桩在上部桥台刚性约束与软弱土侧移推挤力综合作用下,桩身上部有明显的反弯现象。

图4 工程案例计算结果

以右侧桥台双排桩基工况为基础,计算不同软弱土层厚度工况(h=6.0m、8.0m和10.0m)下桥台桩基的水平位移和桩身弯矩分布曲线,见图5。随着软弱土层厚度的增加,在台后填土荷载作用下其对桥台桩基的侧向推挤作用增强。当软弱土厚度由8.0m增加到10.0m时,桩顶位移增加了约46.9%,桩身最大弯矩增加了约32.5%～33.6%。

图5 软土层厚度影响

4 结论

(1)南京某新通道穿湖段桥台偏移事故工程调研分析表明,台后填土引起基底软弱土侧移推挤作用不容忽视,在软土区桥台设计与施工中应予考虑。

(2)基于局部塑性变形理论及桥台双排桩受荷特点,构建了侧移软土与桥台双排桩相互作用动态开展模型,给出了双排桩被动荷载效应计算方法。

(3)通过桩身离散和矩阵传递法,分析了工程案例桥台桩基被动受荷效应,验证了侧移土推挤作用计算方法的适用性。