桥下填土边坡与既有桥梁桩基相互作用的数值模拟分析

邓泽城 尹 昭 唐先武

（1.江西省交通投资集团有限责任公司，江西 南昌 330025；2.长沙理工大学土木工程学院，湖南 长沙 410114）

0 引言

在工程建设过程中，有可能会将施工产生的废土就近填筑在既有桥梁下，虽然减少了废土的转运，但也会在桥梁下形成土坡。新填土坡对既有桥梁的影响是一个非常复杂的工程问题[1-2]。目前，这一问题已得到工程界的关注。李仁强[3]研究了道路施工对既有高速铁路桥梁桩基和承台的影响；成科霈[4]研究了桥梁桩顶位移与路堤填土高度之间的关系，结果表明，桥梁墩顶纵向位移最大，竖向位移最小；王耀等[5]通过数值模拟，分析了新建道路下穿高铁桥梁施工对既有高铁桥梁的影响。针对这些问题，还有学者采用数值模拟、试验研究等手段[6-11]对土坡与桩基的相互作用机理及影响规律进行了深入研究，并为工程设计与施工提供了有力的指导。本文以某高架桥下填土工程为例，通过建立桥下土坡与既有桥梁的有限元模型，分析填土坡度与填土高度对桩基受力与变形的影响，可为后续类似工程提供借鉴。

1 工程概况

某高速公路主线桥所处位置属于剥蚀低山地貌单元，地面标高在217.60～257.05m之间，地形起伏较大，自然边坡坡度20°～30°左右。桥址区的地层结构简单，主要由第四系全新冲洪积层及残坡积碎屑堆积层组成。岩性主要为中粗粒花岗闪长岩，按风化程度由上而下分为全风化、强风化和弱风化。该桥的设计荷载等级为公路-Ⅰ级。下部采用柱式墩，桥台采用150桩。桩基采用挖孔灌注桩，按照嵌岩桩设计。因周边工程建设需要在桥下填土，对既有桥梁桩基受力与变形的影响值得重视。

2 本构模型分析

2.1 Mohr-Coulomb准则的屈服面

Mohr-Coulomb准则的屈服面函数为：

式中，φ为内摩擦角，其为p-q应力面上Mohr-Coulomb准则的屈服面的倾斜角；c为黏聚力；Rm为广义剪应力的修正系数，其主要控制屈服面在π平面的形状，其表达式为：

式中：

Θ——极偏角；

r——第三偏应力不变量。

Mohr-Coulomb准则的屈服面在子午面和π平面上的形状如图1所示。

图1 Mohr-Coulomb准则的屈服面示意图

2.2 Mohr-Coulomb准则的塑性势面

当塑性势面与屈服面相同时，容易在尖角处呈现塑性变形方向不唯一的状况，导致数值计算过程复杂等问题。为解决上述问题，建模时可在子午面尖角处进行光滑处理，采用连续光滑的椭圆函数作为塑性势面，其表达式为：

式中：

c|0——初始黏聚力；

ψ——剪胀角；

ε——子午面上的偏心率，通常取0.1；

Rmw——改进后的修正系数，其表达式为：

式中，e是π面上的偏心率，其主要控制π面上Θ=0～π/3的塑性势面的形状，通常取0.5～1.0。

改进后的Mohr-Coulomb准则子午面形状如图2所示，Mohr-Coulomb准则的塑性势面如图3所示。

图2 改进后的Mohr-Coulomb准则子午面形状

图3 桥下填土后的计算模型及网格划分

图3 Mohr-Coulomb准则的塑性势面示意图

3 有限元模型建立

3.1 模型建立及参数选择

通过大型通用有限元分析软件ABAQUS建立桥梁-填土路基相互作用模型，主要包括盖梁、墩柱、填土等部分。其中，盖梁与墩柱采用二维平面应变单元，单元类型为CPE4R，考虑混凝土塑性损伤，采用《混凝土结构设计规范》[12]中的本构模型，混凝土强度等级为C30，混凝土密度为2500kg/m3，弹性模量取3.45×104MPa，内部钢筋采用二维线单元，单元类型为T3D2，采用双线性本构模型，钢筋密度为7800kg/m3，弹性模量取200GPa，泊松比0.3，屈服强度400MPa，极限强度540MPa。路基材料的本构模型采用前述Mohr-Coulomb准则，桥下填土由上到下依次为素填土、粉砂、强风化泥岩，具体参数如表1所示。

表1 填土材料参数

3.2 计算模型及网格划分

因周边工程建设需要在桥下填土，桥下填土区域如图3所示。图3中，局部填土坡度为θ；填土高度为h。

4 桥下填土对既有桥梁桩基的影响分析

4.1 土坡坡度的影响

在填土高度h为15m、填土坡坡度θ分别为24°、30°、39°和52°条件下，桩身水平位移和桩身弯矩分布曲线如图4和图5所示。

图4 桩身水平位移受填土坡度的影响

图5 桩身弯矩受填土坡度的影响

由图4可知，随填土坡度减小，桩基水平位移逐渐减小。可以发现桩顶水平位移变化明显，而距离桩顶15m后的水平位移变化较小，这是由于路基高度仅为15m。随填土坡度由52°降低到24°，桩顶水平位移由88.3mm减小到了65.9mm，减小了约23%。

由图5可知，随填土坡度减小，桩身最大弯矩逐渐减小。当填土坡度由52°，降低到24°时，桩身最大弯矩由5478kN减小至2669kN，减小了约51%。因此，在既有桥梁下填土时，应尽可能减小桩位处边坡形成，以保证既有桥梁工程的安全稳定。

4.2 填土高度的影响

在填土坡度θ为52°，填土高度h分别为5m、10m和15m条件下，桩身水平位移和桩身弯矩分布曲线，如图6和图7所示。

图6 桩身位移受填土高度的影响

图7 桩身弯矩受填土高度的影响

由图6可知，随桥下填土高度的降低，桩身水平位移逐渐减小。随填土高度由15m降低到5m时，桩顶水平位移由88.3mm减小到了31.1mm，减小了约65%。

由图7可知，随填土高度降低，桩身水平位移逐渐减小，桩身最大弯矩也随之发生明显变化。随着填土高度由15m降低到5m，桩身最大弯矩由5478kN减小到了795kN，减小了85%。由此可知，在桥下回填土坡时，填土高度对桩基的变形影响较大，应尽量减少填土高度，以保证既有桥梁安全。

5 结束语

基于Mohr-Coulomb准则的屈服面和塑性势面，建立了桥下土坡与既有桥梁相互作用的有限元模型，分析了桥下填土坡度和高度对已有桥梁受力与变形的影响。模拟结果表明：（1）桥下填土将会导致既有桥梁产生较大位移，其原因是桥下填土形成的斜坡导致桩周土体非对称而形成侧向土压力，从而影响既有桥梁的安全；（2）桥下填土坡度和高度对桩基受力与变形的影响均比较显著，在类似工程设计时，应尽量减小回填土坡度和高度，并应保证桩周填土的均匀性和对称性，以减小桩侧土压力。