堆土对既有高速公路桥梁桩基稳定性影响分析

孙玉焱

摘要：伴随我国经济迅速发展，高速公路需求量日益增加，在高速公路的实际施工过程中，由于地形地貌的起伏或施工空间的限制，会存在大量的挖填方工程，同时伴随着城市地下空间的快速发展（如基坑工程、地铁工程）亦产生了大量的弃土，为处置上述地下工程和挖方工程产生的弃土，在城市高速路附近堆土并修建景观园林成为可能的处理方式，一方面可以缓解城市大量弃土难以处理的压力，另一方面可以在堆土地基上修建景观园林，改善高速公路两侧景观环境，为市民提供休憩场所。但是堆土改变了桥梁桩基附近原有地基的受力平衡，引起土体的应力重分布，同时过大的堆土高度和范围会在桩周产生负摩阻力，造成土体不均匀沉降，堆土在水平向会对桩身产生附加作用，对既有桥墩桩基础水平承载和变形产生不利影响，严重的可威胁桥梁安全。

关键词：堆土；桥梁桩基；稳定性影响

引言

公路路线两侧的三角区沉降是一个弃土区，应充分注意公路现有桥墩存在大量填挖方荷载的危险。堆积破坏了高速公路下方土体的原有平衡，导致土体应力分布。此外，堆集会导致桩体周围出现负摩擦损失，从而增加桩体的力并产生不均匀的下降。因此，高速公路附近的大量堆积可能构成严重的安全问题。进行了各种研究，以研究堆对现有承载负荷性能的影响。

1上部桥梁模型及墩顶反力计算

为计算机场高速高架桥上部结构传至桥墩和群桩基础的恒、活载，本文采用Midas软件建立高架桥箱梁三维模型，并在桥面上施加移动荷载，同时考虑了混凝土徐变与收缩、温度及基础不均匀沉降等因素对高架桥墩顶反力的影响。参考《公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范》，依据最不利布置原则对横、活载种类各种组合效应进行计算。桥梁模型为四跨连续梁桥，箱梁为预应力混凝土现浇箱梁，桥跨布置为４×35ｍ，桥宽33ｍ，梁高为2.4ｍ，横截面为单箱五室。箱梁顶、底板平行，悬臂长3.5ｍ，顶板厚0.3ｍ～0.6ｍ，底0.28ｍ～0.58ｍ，腹板厚0.5ｍ～0.9ｍ，中横梁厚3.0ｍ，端横梁厚1.8ｍ，跨中和支点处断面如图1，图2所示。

图1

图2

2不同堆载分布宽度对桥梁桩身弯矩影响

桩体弯矩对于桥梁荷载分布分析至关重要。图3是支柱弯矩与桩在不同的关系图，主要与左侧桩帽进行分析。对桩弯矩进行监测时，监测点为17、14、11、9、7、5、2、-4、-7、-9、-12、-14、-19、-22、-25米，共17个监测点。

图3不同堆载宽度时桩身弯矩与桩深关系

3堆土－线路结构有限元模型及计算

本节采用Plaxis3D有限元软件建立了堆土－线路结构有限元模型，地基和土堆采用实体单元离散，土体本构模型采用小应变土体硬化高级本构模型（HSS模型）。桥墩为C40钢筋混凝土，采用板单元离散，采用线弹性本构。承台为C30钢筋混凝土，采用实体单元离散，采用线弹性本构。基桩为C30钢筋混凝土，采用Embedded桩单元模拟，该单元类型自带桩土界面功能，可设置桩侧极限侧摩阻力和极限端阻力，适用于桩土相互作用模拟。

土层参数如表４所示。

4墩顶附加变形

单侧堆栈显示图5所示的桥梁箭头变形图，其高度和距离均不同。如图5所示，桥墩58和59的附加变形在大面积单边土地利用荷载下是一致的。58适用于在不同堆叠高度上随着堆叠楼板的移除而变化的单侧堆叠。如图6所示，柱顶部在x和y方向上的附加变形随着通道高度的增加和竖梃距离的接近而增加。但是，顶部在y方向上的附加变形在距离小于15m时明显增加。这是因为，对于一个大的单页桩，填挖方载荷的影响将逐渐增大，因为堆叠的地面靠近桥梁箭头的底部。

图5单侧堆载下典型的桥墩累积变形云图

1. X方向；(b)Y方向；(c)Z方向

图6桥墩墩顶附加变形

5堆载高度不同时桩身竖向位移分析

图7显示了不同高程处的垂直位移，向左负位移和正位移。在仿真过程中，竖梃偏移监控点按15、11、7、3、-1、-5、-9、-13、-17、-21、-25米的顺序显示。分析发现，如果竖梃的深度发生变化，则竖梃在堆叠高度3m处的垂直偏移会稍有变化，最大向左偏移0.17mm，位置为-9m。对于高度为6m的堆栈，竖梃的垂直移动始于左侧最大值0.28mm且位置为-13m的竖梃深度更改。如果高度为9m，则竖梃的垂直偏移将随着竖梃深度的变化而增加。从上到下的绝对位移值首先增加到峰值，然后稍微减小到最大值0.34mm，向左移动，并定位在-17m处。高度为12m时，竖梃的垂直偏移会随着竖梃深度的变化而稍有减少。上下移动的绝对值也会稍微向上或向下移动，最大值为0.29mm，向左移动，最大值为-17m。总体而言，堆集主要影响桩在地面以下的位移，桩在整个荷载过程中的位移呈增长趋势，最大值约为–15m。

图7左侧桩随深度的桩身竖向位移

图8显示了右侧桩的不同高程处竖梃的垂直移动，并指定了移动方向和用于监视不同荷载下竖梃距离的点。分析发现，当桩体深度发生变化时，桩在堆叠高度3m处的垂直位移相对较小，接近0。如果堆叠表土高度为6m，则当支柱深度变更时，竖框的垂直位移会增加到最大值0.48mm左右。如果高度为9m，则竖梃的垂直偏移值会随着竖梃详细信息的更改而从上到下减少到0.76mm(向左和向上)。桩基位移则表现为不同的变化规律，可以看到在地表以下，随着桩基深度的增加，桩身竖向位移慢慢减小。总体而言，右侧桩的桩体主要影响桩体在地面以上的位移，桩体在荷载过程中的位移呈增长趋势。堆栈对左右支柱的垂直移动有不同的影响，其中堆栈主要影响左支柱的底部，而右支柱则位于地面之上。

图8右侧桩随深度的桩身竖向位移

6截面滑动稳定性

为了进一步分析桩、路面和地基的整体稳定性，本节建立了各具代表性块的三维有限元模型，并根据上述塑性分析阶段进行强度减小分析，得出了地基滑移场及受桩南北影响的相应稳定性系数。基于三维有限元模型，可以进行强度减小分析，得到地基滑动场和相应的稳定性系数，受桩两侧的影响。图9显示了横截面滑动断裂面的地名图。9图表明该段滑移面，没有深滑移面切割桩组地基，连接桩组地基的南面和北面。稳定性系数为2.143，因此大于规范中一级恒定边坡的一般运行条件所要求的鲁士维阻力系数1.35。滑动面位于山顶倾斜角度附近。

图9滑动稳定性云图

7计算结果分析

线路附近堆土可能引起桩周土沉降大于桩基沉降，引起桩侧负摩阻力，在进行桩基竖向承载力验算时，需考虑桩侧负摩阻力的影响。由于堆土在水平向对桩身产生附加作用，还应验算桩身正截面抗压承载力、斜截面抗剪承载力和裂缝宽度是否满足规范要求，正截面抗压承载力和裂缝验算选取在桩身弯矩最大处，斜截面抗剪承载力验算选取在桩身最大剪力处。

8安全距离建议

由于大规模附加费所造成的上部变形严重影响公共建筑的行驶舒适性和安全性，有必要制定相邻支柱的沉降控制标准。相邻支柱的沉降控制标准通常由允许的位移值控制，不仅满足承载力要求，而且满足施工允许的沉降值。根据工程实践和经验总结。

结束语

关于土体对国内外已进行较多研究的桥梁周围桩基础的影响，经常得出一个统一的结论，即桩侧不均匀的桩体将导致地基横向变形，从而对整体结构产生更大的影响。单侧堆载对公路桥梁附加变形的影响更大，建议优先双向堆载，降低桥梁水平位移。

参考文献

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