陸坤杰，羅小聰，孟慶坤

（1、佛山市南海區(qū)公路管理站 廣東佛山 528200；2、廣東和立土木工程有限公司 廣州 511400；3、廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 511400；4、華南理工大學(xué) 廣州 510641）

關(guān)鍵字：既有橋梁；深厚軟基；數(shù)值模擬；樁基變形；樁基加固

0 引言

隨著城市管理水平的提高和城市土地資源的日趨緊張，公路橋梁橋下空間被越來越多的的利用起來，利用橋下空間不可避免的會對既有橋下地基進(jìn)行一定的處理，從而導(dǎo)致既有橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。橋下空間堆載施工是處理地基最常用的施工方式之一，堆載土體與橋梁結(jié)構(gòu)的凈距、現(xiàn)場土質(zhì)條件及施工工法等諸多因素的影響，而使既有橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的差異響應(yīng)。特別是橋下存在深厚淤泥的土層，對既有橋梁結(jié)構(gòu)十分不利［1］。國內(nèi)外學(xué)術(shù)及工程界針對橋下存在深厚淤泥層堆載施工有了廣泛的認(rèn)識［2-6］，但目前對橋下深厚淤泥層堆載施工對既有樁基的影響研究較少，缺少工程借鑒案例。因此研究橋下存在深厚淤泥層時，堆載施工對既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響十分必要。

國內(nèi)外學(xué)者也對軟基地質(zhì)下橋下空間堆載施工進(jìn)行的相關(guān)研究，陳歡［7］以福建沿海某堆載工程為工程背景，分析其對臨近既有高速鐵路橋梁樁基影響規(guī)律及影響因素，并提出適用于軟土地基高鐵橋梁樁基變形控制方案；王軍［8］依托鄭徐（鄭州-徐州）高速鐵路一特大橋橋梁樁基側(cè)向堆載工程，通過建立樁土相互作用有限元模型，研究了樁周土豎向沉降的空間分布規(guī)律，以及中性面的空間分布。并綜合分析了現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)、理論計算數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)；聶磊［9］采用數(shù)值方法研究了不同堆載分布寬度和高度對鄰近樁基的水平位移、應(yīng)力以及彎矩的影響，為分析橋梁樁基穩(wěn)定提供參考；張坤［10］以“深圳海濱大道后實施對鄰近橋梁樁基礎(chǔ)的影響”為工程背景，研究和分析被動樁受力和變形性態(tài)。

但目前國內(nèi)外針對深厚軟基下橋下空間堆載施工的相關(guān)研究有一定的局限性，實際工程中深厚軟基地質(zhì)引起既有結(jié)構(gòu)變形因素復(fù)雜，相關(guān)參考文獻(xiàn)較少，故本文以佛山市某橋下空間堆載施工為工程背景，采用MIDAS/GTS 有限元軟件，研究分析堆載施工對既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響，探討不同施工順序?qū)扔袠蛄航Y(jié)構(gòu)的影響，為今后類似工程提供指導(dǎo)。

1 工程概況

某橋下空間工程建設(shè)內(nèi)容包括新建停車場及美食街廣場等，需對橋下空間進(jìn)行堆載施工處理。堆載后橋下邊坡分為兩級平臺，上平臺寬度為24～27 m，下平臺寬度為13～21 m，下平臺現(xiàn)水位高差為1.7 m，上下平臺高差為8～10 m，坡率范圍在1∶2～1∶3.5，橋梁設(shè)計水位線高程為15.8 m，上平臺高程為15.35 m，場地現(xiàn)狀表層填土堆載為雜填土，較松散，約含20%碎石，堆載土體厚度為2～6 m，橋下存在厚約20 m 的淤泥。橋墩直徑1.7 m、49#和50#樁基直徑2.2 m，樁基長度分別為38.5 m和51.7 m，51#樁基直徑為2 m，樁基長度為49.5 m，均為嵌巖樁，承臺長寬高分別為8.7 m、3.0 m、2.5 m，如圖1所示。

圖1 堆載前后土體標(biāo)高與既有橋梁結(jié)構(gòu)位置關(guān)系Fig.1 Relationship between Soil Elevation and Existing Bridge Structure before and after Stacking

2 數(shù)值計算模型構(gòu)建

2.1 模型建立及邊界條件

本文采用Midas/GTS 巖土有限元分析軟件建立模型，計算模型中采用位移邊界條件，其中底部為固定邊界，限制模型的水平和豎直方向的移動；模型兩側(cè)限制水平方向的位移，地表變?yōu)樽杂蛇吔纾?1］，約束樁基的旋轉(zhuǎn)自由度及樁基底部的位移，固定49#和50#橋墩頂位移，50#橋墩頂采用滑動約束。結(jié)合該工程項目的實際情況，并考慮邊界效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響，擬取模型幾何尺寸取長、寬、高分別為150 m、100 m、95 m。整體有限元模型和樁基、橋梁及橋墩有限元模型如圖2所示。

圖2 總體計算模型（局部透視效果）Fig.2 Overall Calculation Model（Local Perspective Effect）

2.2 計算參數(shù)選取

本次分析的土層結(jié)構(gòu)選取包含①填土、①雜填土、②淤泥質(zhì)土、③粉質(zhì)黏土、④粗砂、⑤強風(fēng)化花崗巖、⑥中風(fēng)化花崗巖、⑦微風(fēng)化花崗巖，由于《工程地質(zhì)勘察報告》物理學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計不全，部分?jǐn)?shù)據(jù)參考《工程地質(zhì)手冊》和其他相關(guān)資料，土層參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)Tab.1 Soil Layer Parameters

2.3 堆載施工分析工況模擬

本次分析主線橋的工況包含16 個施工步，如表2所示。計算過程中的主要荷載包括自重及土體自重。本次模擬共設(shè)置兩種工況分別為工況1：垂直于橋方向堆載；工況2：順（沿）橋方向堆載，分析工況示意圖如圖3所示。

表2 模擬設(shè)計工況Tab.2 Simulate Design Scenarios

圖3 分析工況示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Analysis Conditions

本次加固措施有兩種方式：①改變樁基周圍加固范圍，加固范圍分別為2 m、4 m 和8 m，如圖4?所示；②改變加固深度，加固深度分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m及60 m，如圖4?所示。

圖4 樁基加固區(qū)域及加固深度示意圖Fig.4 Schematic Diagram of the Pile Foundation Reinforcement Area and Reinforcement Depth

2.4 計算假設(shè)

⑴假定各層土體均為各向同性；

⑵土體的初始應(yīng)力場只計算自重應(yīng)力，不考慮溫度和構(gòu)造應(yīng)力的影響；

⑶假定橋梁結(jié)構(gòu)為線彈性材料；

⑷假設(shè)深厚淤泥及填筑土層為正常固結(jié)土，不考慮土的欠固結(jié)或超固結(jié)應(yīng)力歷史狀態(tài)；

⑸堆載施工僅考慮理想狀態(tài)下施工工況，不考慮地震、遭遇不明夾雜地層、富水層等情況；

⑹假設(shè)深厚淤泥及填筑土層為正常固結(jié)土，不考慮土的欠固結(jié)或超固結(jié)應(yīng)力歷史狀態(tài)；

⑺假設(shè)地下水位變化幅度小，不考慮水位變化對土的應(yīng)力及變形的影響；

⑻假設(shè)橋梁樁基在橋梁自重作用下，橋樁豎向的沉降已達(dá)到穩(wěn)定值。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

填土邊坡堆載施工期間，土體會發(fā)生橫向變形，該變形會向邊坡臨空面方向傳遞，進(jìn)而傳遞到附近的橋梁樁基，樁基兩側(cè)存在壓力差，進(jìn)而導(dǎo)致樁基發(fā)生水平側(cè)向位移。施工單位在堆載施工過程中，50#橋墩頂發(fā)生較大偏移，經(jīng)監(jiān)測單位檢測：50#橋墩頂發(fā)生沿順河方向155 mm 的偏移，偏移最終穩(wěn)定在165 mm 左右，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5 所示，已對既有橋梁產(chǎn)生病害，需對產(chǎn)生病害的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行治理，若不采取一定的處治措施，在極其復(fù)雜的環(huán)境情況下，可能使土體發(fā)生滑移，致使既有橋梁樁基處土體發(fā)生一定變形，引起周圍橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)位移或變形。后期淺層填土的側(cè)向力極可能引起橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生其他偏移，故在不破壞橋梁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上需對橋下地基進(jìn)行處治。

圖5 50#墩支座位移監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.5 50# Pier Seat Shift Monitoring Data

4 計算結(jié)果與分析

為了探究不同堆載施工工序下對既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，本文選取了厚淤泥層地質(zhì)條件下橋下空間堆載施工項目為研究對象。由于該項目是橋下空間下堆載施工，勢必會對既有橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，且橋下淤泥層厚度達(dá)20余米，填土堆載較厚，側(cè)向擠出和填土荷載會對既有橋梁結(jié)構(gòu)的承載力能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)極為不利［12］，因此為了評價堆載施工對既有橋梁結(jié)構(gòu)的的影響，本文分析了不同堆載施工工序?qū)扔袠蛄航Y(jié)構(gòu)的影響。

4.1 不同堆載施工工序影響分析

堆載施工過程中，橋梁樁基處土體發(fā)生一定變形，引起周圍橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)位移或變形。橋梁結(jié)構(gòu)由于與施工工序、堆載土體厚度、堆載土體凈距及現(xiàn)場土質(zhì)條件等諸多因素的影響，不同的模擬條件下計算結(jié)果將產(chǎn)生較大的差異，本小節(jié)著重分析施工工序?qū)扔袠蛄航Y(jié)構(gòu)的影響。

為分析不同施工工序?qū)扔袠蛄航Y(jié)構(gòu)的影響，基于MIDAS/GTS提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，擬分析不同工況下填土堆載至橋下方與完成堆載施工對既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響，并分析填土堆載過程對既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖6～圖7所示。

圖6 既有橋梁結(jié)構(gòu)隨施工步變化的位移規(guī)律Fig.6 Displacement Law of Existing Bridge Structure with Construction Steps

圖7 不同施工步橋梁結(jié)構(gòu)的位移變化Fig.7 Displacement Change of Bridge Structure under Different Construction Steps

由圖6～圖7 及表3 可知：隨著堆載施工的進(jìn)行，49#和50#橋墩的最大偏移位移逐漸增大，且50#橋墩的偏移量最大，為167.16 mm，發(fā)生在橋墩頂位置處，且其位移出現(xiàn)傾斜的趨勢；49#和50#橋墩偏移量較小，分別為61.45 mm 和24.23 mm，均發(fā)生在約樁基1/3 位置處，且其橋梁結(jié)構(gòu)的位移呈“弓”型。這是由于49#和50#橋墩為固結(jié)墩，墩頂被約束，填土堆載壓力作用到橋梁結(jié)構(gòu)上，使樁基發(fā)生偏移，50#橋墩為支座墩，墩頂被部分約束，填土堆載壓力作用到橋梁結(jié)構(gòu)時，墩頂位移可以得到釋放，最大位移產(chǎn)生在墩頂位置處。

表3 不同施工步既有橋梁結(jié)構(gòu)及承臺的位移值Tab.3 Displacement Values of Existing Bridge Structures and Piles for Different Construction Steps

順橋方向堆載施工比垂直于橋方向堆載施工對既有橋梁結(jié)構(gòu)的偏移影響大，其中兩種工況堆載完成施工時，49#橋梁結(jié)構(gòu)最大值分別為58.86 mm 和61.45 mm，50#橋梁結(jié)構(gòu)最大值分別為150.41 mm 和167.16 mm，51#橋梁結(jié)構(gòu)最大值分別為20.45 mm 和24.23 mm；堆載完成施工時，工況1 相比于工況2，49#、50#和51#橋梁結(jié)構(gòu)位移能夠有效減小4.22%、10.02%和15.60%，可見垂直于橋方向堆載相比于順橋向堆載施工能減小既有橋梁結(jié)構(gòu)的位移。

4.2 不同加固措施下堆載施工對既有結(jié)構(gòu)的影響分析

為分析不同加固措施下堆載施工既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響，基于MIDAS/GTS 提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，擬分析不同加固措施工況下填土堆載至橋下方與完成堆載施工對既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響，并分析加固措施對既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖8～圖9所示。

圖8 不同區(qū)域加固下堆載施工對既有結(jié)構(gòu)的位移云圖Fig.8 Displacement Cloud of Existing Structure under Stacking Construction under Reinforcement in Different Areas

圖9 不同加固深度下堆載施工對既有結(jié)構(gòu)的位移云圖Fig.9 Displacement Cloud Diagram of Existing Structure under Stacking Construction at Different Reinforcement Depths

由圖8～圖9 及表4 可知：隨著不通加固范圍或深度的增加，堆載施工時既有橋梁結(jié)構(gòu)的位移逐漸減小，未加固時，既有橋梁結(jié)構(gòu)的最大位移為167 mm，隨著加固深度的增加，既有橋梁結(jié)構(gòu)的最大位移依次為62.0 mm、54.7 mm、46.9 mm、41.3 mm、35.5 mm 和31.3 mm，相比于未加固依次減少了62.88%、67.22%、71.89%、75.29%、78.76%和81.28%；隨著區(qū)域加固范圍的增加，既有橋梁結(jié)構(gòu)的最大位移依次為44.5 mm、15.1 mm 及12.7 mm，相比于未加固依次減少了73.37%、90.97%、92.41%。通過不同加固措施對比，區(qū)域加固相比于加固深度更具有保護(hù)效應(yīng)，故在進(jìn)行橋下空間堆載時，應(yīng)考慮對既有橋梁樁基進(jìn)行加固處理，尤其是支座墩橋梁，防止橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，影響后期橋梁的正常運營。

表4 不同施工步既有橋梁結(jié)構(gòu)及承臺的位移值Tab.4 Displacement Values of Existing Bridge Structures and Piles for Different Construction Steps

5 結(jié)論

⑴隨著堆載施工的進(jìn)行，既有橋梁結(jié)構(gòu)的位移逐漸增大，既有49#和51#橋梁結(jié)構(gòu)的位移呈“弓”型，且在樁基1/3 處產(chǎn)生最大值，既有50#橋梁結(jié)構(gòu)的位移出現(xiàn)傾斜的趨勢，且在橋墩頂處產(chǎn)生最大值。

⑵堆載完成施工時，工況1 相比于工況2，49#、50#和51#橋梁結(jié)構(gòu)位移能夠有效減小4.22%、10.02%和15.60%，可見垂直于橋方向堆載相比于順橋向堆載施工能減小既有橋梁結(jié)構(gòu)的位移。

⑶隨著加固區(qū)域或深度的增加，既有橋梁結(jié)構(gòu)的位移逐漸減小，樁基周圍深度加固相比于未加固依次減少了62.88%、67.22%、71.89%、75.29%、78.76%和81.28%；樁基周圍區(qū)域加固相比于未加固依次減少了73.37%、90.97%、92.41%。

⑷工程地質(zhì)勘察中，如發(fā)現(xiàn)有深厚淤泥層，需對地基進(jìn)行一定的加固處理，尤其是支座墩橋梁，再采取合理的堆載施工工序施工，防止橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，影響后期橋梁的正常運營。