賀志勇 張浩然 楊程 楊永紅

(華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510640)

“十三五”規(guī)劃以來，國家持續(xù)實施公路安全生命防護和危橋改造工程，橋梁結構安全水平不斷提升，但因我國公路基礎設施歷史欠賬較多，安全形勢仍不容樂觀，其中大量位于軟土地區(qū)的橋梁，橋側時常出現(xiàn)大面積堆土情形，如臨時堆放挖填方土、棄土、工程建材和工后廢料等，存在嚴重的安全隱患。近年來因大面積堆土致使土體喪失穩(wěn)定的破壞事故頻發(fā)，經(jīng)濟損失、人員傷亡和社會負面影響較大。如2016年3月25日杭州繞城西線五常收費站附近橋梁因周邊工地施工堆土處置不當，致使橋墩傾斜、梁板滑落，橋梁突然發(fā)生斷裂，導致通行中斷，車輛擁堵；2015年12月20日深圳市紅坳余泥渣土受納場因堆放的渣土和建筑垃圾堆積量大、堆積坡度過陡而導致失穩(wěn)垮塌，73人死亡、4人失蹤，33棟建筑損壞，直接經(jīng)濟損失8.8億余元；2009年6月27日上海蓮花路一在建13層住宅樓因土方堆放不當導致房屋傾倒，1人死亡，直接經(jīng)濟損失1 900余萬元。土體失穩(wěn)引發(fā)的橋梁安全事故日益受到公眾的關注，成為研究的熱點之一。文獻[1- 4]進行了土體水平位移對樁基影響的實驗室模擬測試；文獻[5- 6]通過堆載場位變監(jiān)測數(shù)據(jù)，推算影響臨近建筑樁基礎的安全距離；文獻[7- 9]分別采用有限元軟件PLAXIS、ABAQUS和ANSYS模擬了樁體在不同地面堆載與作用位置、樁土條件、樁身約束條件的工況，分析了主梁連接方式對其剪切變形及撓度的影響；文獻[10]結合現(xiàn)場樁基偏位實測結果，對比分析了單側、雙側堆載作用下樁基彎矩方向、反彎點等特征變化。

綜上可見，目前學者大多側重于堆載周圍土層變形、樁周土與橋梁樁基的相互作用方面，關于橋梁整體內(nèi)力和位移分析、影響構筑物結構安全的研究較少，對于不同橋梁結構形式在非對稱堆載影響下的響應差異的分析更少。文中依托某高速公路匝道橋橋側大面積堆土后的安全性評估工程，利用有限元軟件ABAQUS建立橋梁-地基土-堆載土的計算模型，選取不同橋梁結構形式、堆土維度等變量建立多組研究工況，模擬分析堆載土的擠土效應、地基土層變形、橋梁樁土耦合關系以及橋梁整體結構位移和內(nèi)力的變化過程，用以評估堆載后匝道橋的安全狀態(tài)；根據(jù)堆載影響下地基土的變形規(guī)律，探討堆土維度差異對橋梁結構安全的影響；最后對比分析了不同橋梁結構形式非對稱堆載下的安全狀態(tài)。

1 依托工程概況

某高速公路匝道橋跨徑組合為16 m+9×20 m+16 m，曲線半徑約120 m，上部結構為鋼筋砼連續(xù)箱梁，主梁寬9.5 m，高1.2 m，采用40號混凝土；下部結構1#-10#橋墩為獨柱墩，墩梁固結，0#、11#橋臺為雙柱墩雙支座；樁基為單排樁，單排布置兩個樁，樁徑1.5 m，間距4 m，樁底標高均在風化巖層上，樁長38～46 m不等，由6.5 m×2.5 m×1.5 m承臺連接，采用30號混凝土，墩柱布置48根φ25主受力鋼筋，單根樁基布置20根φ25主受力鋼筋。土體主要參數(shù)如表1所示。

表1 土體主要參數(shù)

如圖1(a)所示，因改擴建施工，橋側出現(xiàn)大面積堆土。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，堆土情況如下：堆土位于橋梁內(nèi)側，寬約28 m，高2～7 m，邊緣距橋梁中心約12 m；0#橋臺-4#橋墩，堆土高7 m；4#橋墩-11#橋臺，堆土高由7 m漸變至4 m，如圖1(b)所示。

(a)實物圖

圖1 匝道橋及堆土實物圖和平面示意圖

2 有限元模型

2.1 堆土和地基土模型

地基土層模型設置為300 m×150 m×60 m，長度在匝道橋首尾距離1.5倍以上，遠高于樁基直徑，因此可忽略因邊界效應產(chǎn)生的計算誤差，模型底部采用固定約束，側面邊界限制其橫向位移，頂面自由無約束。

堆土模型根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結果，統(tǒng)一將坡度設置為1:0.5，控制形狀變量分別為堆土高度H、堆土寬度W和堆土間距L，如圖2(a)所示。

土體材料屬性定義按照表1設置，其中堆土層材料定義為素填土，并假設堆土層與地基土層層間位移完全耦合。土體網(wǎng)格單元采用通用實體單元C3D8R，為保證求解精度和模型收斂性，對匝道橋下方地基土層進行分階段加密，如圖2(b)所示。

2.2 橋梁、支座模型

橋梁模型按照竣工圖建立，對主墩、承臺和樁基采用中性軸分網(wǎng)技術，最小化網(wǎng)格過渡(見圖2(b))。

(b)橋梁和墩臺基礎

(c)支座和伸縮縫

參考前人研究[8]，模型結構網(wǎng)格劃分采用非協(xié)調(diào)單元C3D8I，該單元類型在分析模型受彎時精確度較高。

為研究不同結構形式橋梁非對稱堆載影響下的變形差異，以原匝道橋為基礎，在部分墩頂增設伸縮縫，并安置支座，經(jīng)計算墩頂最大荷載約為2 500 kN，根據(jù)相關規(guī)范[11]，選取板式橡膠支座GJZ 300×400×74(CR)，支座每層中間橡膠片厚8 mm，上下表面橡膠片厚2.5 mm，每層鋼板加勁層厚3 mm，共計7層加勁鋼板。伸縮縫處梁底由4個支座支撐，每片梁2個支座，如圖2(c)所示。支座模型內(nèi)部各橡膠層與加勁層之間設為綁定約束，以降低計算成本[12]。

2.3 樁土相互作用

采用面面接觸、有限滑移的算法，以硬接觸和庫倫摩擦形式模擬樁周土正壓力和摩擦力，摩擦因數(shù)由各土層內(nèi)摩擦角確定。庫倫摩擦即摩爾庫倫模型，其屈服準則為：使得材料屈服破壞的內(nèi)力，表現(xiàn)為其屈服面上的點的剪應力等于材料的抗剪強度[13]，即

(1)

2.4 模型類型及工況參數(shù)

為研究不同類型匝道橋在當前和極端非對稱堆載下的內(nèi)力和位移變化差異，建立3種有限元橋梁模型：①模型1(原橋，墩梁固結形式)，除橋臺外其余橋墩均采用獨柱墩、墩梁固結形式；②模型2(半固結形式)，分別在2#、4#、7#、9#墩頂設置伸縮縫和支座)；③模型3(簡支梁橋)，全橋墩頂均設置伸縮縫和支座。

考慮橋梁模型類型、堆土高度、堆土寬度、堆土間距的影響，計算參數(shù)選取如表2所示。

表2 計算參數(shù)1)

1)除組5中W與L值的選取為一一對應的關系外，其他組均為各參數(shù)自由組合；2)組1算例即為當前非對稱堆載下某匝道橋的模型工況；3)堆土高度中的2～7 m表示圖1(b)中的堆土情況。

3 結果分析

3.1 模型驗證

為驗證本文模型數(shù)值模擬計算結果的可靠性，以組1算例為基礎，對本文模型的模擬結果與文獻[8,10,14]的研究結果進行了對比分析。

根據(jù)文獻[10]，在側方堆載影響下，樁身發(fā)生S型變形，反彎點位于軟硬土層交界處附近。根據(jù)本文模型計算結果，從位于堆載最高附近的2#、3#、4#墩樁身深度-彎矩曲線(見圖3(a))可見，樁基在側向荷載影響下產(chǎn)生正負彎矩，零點位于10 m深度附近，本文淤泥質(zhì)軟土層模型頂端平均深度為10 m，說明模擬結果與文獻[10]關于樁身反彎點的結論非常一致。

根據(jù)文獻[8]，軟土地區(qū)端承樁在堆載荷載影響下，樁體進入土體后軸力開始近似呈線性增長，直到穿過淤泥層后才有減小的趨勢。本文淤泥質(zhì)軟土層模型底端平均深度為35 m，由堆土后樁基軸力-深度曲線(見圖3(b))可見，本文模型的模擬結果與文獻[8]的結論基本一致。

為驗證橋梁樁基彎矩變化與水平位移的關系，取該橋所有樁基變矩與水平位移作散點圖(見圖3(c))，可見樁身最大彎矩隨側向位移的變化曲線呈線性，該規(guī)律非常符合文獻[2,4,13- 15]的結論。

綜上可見，本文選取的橋梁-堆土-地基土模型和相關邊界條件、相互作用設置合理，計算結果可靠，能較好地分析匝道橋橋側大面積堆土后基礎結構的內(nèi)力、位移變化。

3.2 依托工程安全性評估

該橋樁基采用單排樁，單排布置兩個樁，為方便比較橋梁不同結構的位移大小，規(guī)定橋梁曲線上任意一點的切線方向為順橋向、法線方向為橫橋向，將橋梁結構的位移拆分為水平上的順橋向位移(U1)和橫橋向位移(U2)以及豎直方向上的沉降(U3)。兩端橋臺不列入彎矩分析，僅比較1#-10#墩的結果，如圖4所示，其中B表示主梁，IN表示內(nèi)側樁基，OUT表示外側樁基，F(xiàn)Z為軸力，M1、M2分別為主梁彎距和基礎彎距。

由圖4(a)可見，匝道橋的順橋向位移相對較小，1#墩內(nèi)側樁基處位移最大(達1.73 mm)，4#墩處位移幾乎為0，堆載對匝道橋的影響體現(xiàn)為橫橋向擠壓，而匝道橋兩端的樁均受到一定的順橋向推力，產(chǎn)生一定位移，總體上位移大小由0#-11#臺呈現(xiàn)出“大—小—大”的V字形變化趨勢。由此可見，采用墩梁固結形式，在堆土水平推力作用下，樁基水平位移明顯大于橋墩水平位移(圖4(b)中的橫橋向位移同理)，同時單排兩根樁基與堆載距離不同，內(nèi)側樁基位移稍大于外側。

圖3 本文有限元模型的模擬結果

圖4 匝道橋上部結構和墩臺基礎的受力及位移情況

由圖4(b)可見：匝道橋的橫橋向位移稍大，2#墩內(nèi)側附近堆土最高為7 m，最大橫橋向位移達到峰值，位于2#墩內(nèi)側樁基處，達4 mm；11#臺處堆土高度降為2 m，橫橋向位移也下降，可見堆土高度越高，對附近樁基產(chǎn)生的水平推力越大，橫橋向位移也越大。

由圖4(c)可見：堆土高度越高，土體的下沉量越大，樁基的下沉量也越大，這與圖4(b)橫橋向位移的表現(xiàn)一致；沉降量在2#、3#墩之間達到峰值，最大沉降發(fā)生在3#墩內(nèi)側樁基處，達7.60 mm；橋墩下沉量介于兩根樁下沉量之間，堆土側樁基下沉量最大?？梢姌騻却竺娣e堆土后，匝道橋產(chǎn)生不均勻沉降，靠近堆載區(qū)域沉降值較大，橋梁整體趨向于往堆載處傾斜。

由圖4(d)、4(e)可見，堆土前后匝道橋的主墩軸力和主梁彎矩變化較小(彎矩取絕對值，不論正負。因彎矩最大值發(fā)生在墩頂，跨中彎矩的絕對值相對較小，圖中僅列出墩頂處彎矩)，其中2#墩軸力最大，堆土前后分別為3 131和3 134 kN，3#墩處主梁彎矩最大，堆土前后分別為4 622和4 694 kN·m?？梢姡演d對匝道橋墩柱和上部結構的內(nèi)力基本無影響。

由圖4(f)、4(g)可見：匝道橋成橋狀態(tài)下各樁基軸力和彎矩較為平均；堆載后最大基礎軸力由2 079 kN增加至2 646 kN，增加27.3%；最大彎矩由130 kN·m增加至361 kN·m，增加177.7%，均位于3#墩處。

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》[17]，沿周邊均勻配置縱向鋼筋的圓形截面鋼筋混凝土受壓構件偏心受壓時，正截面抗壓承載力設計值為

(α-α1)fsdAs≥γ0Nd

(2)

正截面抗彎承載力設計值為

(3)

計算得到匝道橋樁基抗彎承載力設計值為5 180 kN·m，抗壓承載力設計值為13 038 kN，而樁基模擬計算最大彎矩為361 kN·m，最大軸力為2 646 kN，匝道橋樁基內(nèi)力均遠小于極限承載力。

綜上可見，橋側大面積堆土使匝道橋整體結構產(chǎn)生一定的位移,樁基軸力和彎矩增大，但均小于規(guī)范允許值，匝道橋處于安全狀態(tài)。

3.3 非對稱堆載維度差異化分析

根據(jù)表2，設置4種工況(組2-組5)，分析堆載量對橋梁受力和位移的影響。

為分析堆土高度H的影響，執(zhí)行組2工況，固定堆土寬度W為60 m，當堆土間距L取不同值(分別為20、40 m)且堆土高度H由10 m增加到25 m時，堆土對臨近樁基位移的影響見圖5(a)。從圖中可見，填土高度對樁基的水平位移和沉降的影響均很明顯，樁基位移隨著H的增大而增大，該影響近乎是線性的，與文獻[6，8]的結論一致。

為分析堆土寬度W的影響，執(zhí)行組3工況，固定堆土高度H為8 m，當堆土間距L取不同值(分別為10、20 m)且堆土寬度W由20 m增加至60 m時，堆土對臨近樁基位移的影響見圖5(b)。從圖中可見，堆土寬度的增加會導致臨近樁基位移的增大，其中對樁基水平位移的影響顯著，對沉降值的影響較小。

為分析堆土間距L的影響，執(zhí)行組4工況，固定堆土高度H為8 m、堆土寬度W為30 m，當堆土間距L由10 m增加至40 m時，堆土對臨近樁基位移的影響如圖5(c)所示。從圖中可知，堆土間距的增加會導致臨近樁基位移的減小，其中對樁基沉降的影響顯著，對水平位移的影響較小。該規(guī)律同時滿足圖5(a)、5(b)中組2和組3的模擬結果。

圖5 匝道橋樁基的位移和受力隨堆載規(guī)模大小的變化

對組4工況，因?qū)嶋H工程中堆土寬度W恒定較少出現(xiàn)，常見措施只清理橋梁一側堆土，可視為W+L固定，清理橋側堆土后L增大，W減小，故進行組5工況模擬，結果如圖5(d)所示。從圖中可知，同時增大堆載間距L、減小堆載寬度W，均會導致樁基水平位移的減小，相對組4結果，組5 橋梁樁基側向位移降幅顯著。

根據(jù)3.2節(jié)計算結果，匝道橋樁基的抗彎承載力、抗壓承載力設計值分別為5 180 kN·m和13 038 kN，組2-組5各工況的基礎彎矩和軸力均未超過規(guī)范允許值，如圖5(e)所示。在位移方面，墩臺沉降值和相鄰墩臺沉降差值均滿足規(guī)范，而部分工況的樁基側向位移超出規(guī)范允許值U=25 mm，如圖5(a)、5(b)、5(d)所示。荷載是影響樁身內(nèi)力和位移的根本因素，當堆土高度或?qū)挾冗^大，堆土與橋梁的間距過小時，樁基承受的側向壓力越大，樁體軸力和彎矩也增大，最先達到極限狀態(tài)的是樁基水平位移，導致匝道橋存在安全隱患，在實際工程中要注意控制堆載規(guī)模和與橋梁的間距。

3.4 不同結構形式橋梁大面積堆載下的安全性分析

建立2.4節(jié)墩梁固結式、半固結式和簡支梁橋3種橋型模型，模擬分析非對稱堆載后的變形差異。

為分析模型2和模型3在當前非對稱堆載下的受荷情況，執(zhí)行組6工況，伸縮縫處橋梁結構的位移情況見圖6。從圖中可見，在非對稱堆載影響下，兩片梁下支座產(chǎn)生方向相反的剪切變形，梁板間有明顯顏色跳躍，表示伸縮縫的張拉造成橋梁上部結構的不連續(xù)變形。各支座和伸縮縫的詳細變形如表3所示。

圖6 橋梁梁板及伸縮縫的位移圖

從表3可見：順橋向變形率均在99%左右，全橋支座以順橋向剪切變形為主，基本未發(fā)生橫橋向錯位變形；設置4道伸縮縫的模型2相對于設置10道伸縮縫的模型3，單個伸縮縫的變形量更大，但伸縮縫變形量總和較小(7.66 mm<8.41 mm)，說明設置數(shù)量較多的伸縮縫雖然有利于保護支座，但可能使橋梁整體變形量增大。李枝軍等[12]提出了板式橡膠支座的滑動破壞參考標準，根據(jù)《公路橋梁板式橡膠支座》[11]，支座的剪切變形根據(jù)側向位移大小和當前支座的橡膠層厚度的比值進行計算，以支座發(fā)生滑動摩擦為判斷其失效的標準，一般地，對于受水平力作用的支座在上下表面達到最大靜摩擦力時，剪切變形為80%～100%。由表3可知，模型2和模型3中的支座剪切變形量均在安全范圍內(nèi)，且遠小于極限值。

表3 兩個匝道橋模型中的支座和伸縮縫的變形情況

為校核3個匝道橋模型在極端非對稱堆載條件下的安全性，執(zhí)行組7工況，選取使模型1最大基礎水平位移達到規(guī)范允許值25 mm的工況(H=8 m，W=60 m，L=10 m)為參考，對半固結模型2和簡支模型3進行模擬，部分位移和內(nèi)力模擬結果如圖7所示。

從圖7(a)可見：在較大非對稱堆載影響下，墩梁固結橋梁(模型1)樁基存在不等側向位移，起點位移較大，2#墩側向位移最大達25 mm，終點側樁基位移相對較??；對于設置伸縮縫的模型2和模型3，樁基側向位移稍微增大，且曲線更加平緩，各墩臺下樁基橫向水平位移趨于平均。

由圖7(b)可見，對于上部結構位移情況，模型2和模型3相對模型1均有顯著的提升，即設置伸縮縫，可使橋梁上部結構在非對稱荷載下產(chǎn)生更大的位移。

由圖7(c)可見，3種模型相同位置樁基的最大彎矩大小相近，表明上部結構和支座設計的變更對匝道橋墩臺基礎的影響較小。

圖7 3個匝道橋模型的受力及位移情況

經(jīng)校核，組7各工況支座變形量均在失效臨界值內(nèi)，不再贅述。

綜合上述可知：對于半固結和簡支梁橋，墩臺基礎內(nèi)力的變化較小；在模型1內(nèi)側樁基最大側向位移達到極限值U=25 mm的情況下，模型2和模型3的位移略微增加，其中模型3的2#墩內(nèi)側樁基水平位移超出規(guī)范允許值1.5 mm，存在安全隱患；增設伸縮縫和支座，可致使上部結構的位移顯著增加，但仍小于基礎結構位移，上部結構安全。

4 結論

大面積堆土破壞了地基土平衡狀態(tài)，引起不均勻沉降和水平位移，致使橋梁樁基豎向荷載增加、撓曲變形增大，造成安全隱患。文中利用有限元軟件ABAQUS建立橋梁-地基土-堆載土的計算模型，選取不同橋梁結構形式、堆土維度等變量建立多組研究工況，模擬分析了堆載土的擠土效應、地基土層的變形、橋梁的樁土耦合關系以及橋梁整體結構的位移和內(nèi)力變化過程；探討了堆土維度差異對橋梁結構的影響；最后對比分析了不同橋梁結構形式非對稱堆載下的安全狀態(tài)。結果表明：

(1)橋側堆土后，匝道橋基礎彎矩相較成橋狀態(tài)增加177.7%，基礎軸力增加27.3%，主墩及上部結構內(nèi)力無明顯變化，處于安全狀態(tài)；

(2)堆土規(guī)模增大到極限狀態(tài)時，該橋可能因樁基水平位移過大而破壞，清理橋側堆土可大幅降低墩臺基礎水平位移，確保橋梁安全；

(3)堆土規(guī)模、位置以及橋梁形式均對橋梁結構安全產(chǎn)生影響，堆土高度、寬度越大，間距越小，橋梁結構變形和內(nèi)力越大；

(4)墩梁固結對限制橋梁上部結構位移有較大的作用；

(5)進行橋梁安全評價時，應結合橋梁結構、線形、地基土、堆土等因素進行綜合分析。