高填土橋臺的結構穩定性分析

豐月華

(浙江公路水運工程咨詢公司，浙江 杭州 310004)

高填土橋臺的結構穩定性分析

豐月華

(浙江公路水運工程咨詢公司，浙江 杭州 310004)

橋臺后高填土在軟弱地層中十分常見，由于填土較高，隨時間發生的下沉、變形，導致整體強度減弱，從而影響橋梁結構的穩定性和安全性。本文根據鮑田1號橋實際工程，采用plaxis有限元軟件對橋梁和地基結構進行建模，通過計算固結沉降、側向位移、超孔隙水壓力，分析高填土結構的穩定性。結果表明路堤填土固結一年后沉降趨于穩定，樁基穩定，塑料排水板工作性能良好。

高填土 固結沉降 側向位移 超孔隙水壓力 穩定性

隨著路基填筑高度的迅速增加，土體對高架橋下部結構物的作用躍居控制地位［1］。在軟弱地層中，常對橋臺背后進行高填土作業，大量的高填土可能壓迫橋梁基礎結構，導致地下土層移位、沉降，影響整體結構的穩定性［2］。在橋梁運營過程中可能造成橋梁結構失穩，影響橋梁的正常使用，對交通安全有極大的隱患。目前，國內外學者對其進行了相關的研究，馬希田、徐龍等人對超高填土肋板式橋臺的樁基礎結構進行了分析;賀維通過分析土臺、橋臺之間的相互關系，分析了高填土橋臺結構穩定性;劉雁寧通過考慮側向位移對路堤固結沉降進行了研究。

1 工程背景

1.1 工程概況

飛云江三橋北延伸線工程路線全長8.617 km，路基寬度48.5 m，設計速度100 km/h。沿線密布河道，大部分河道寬度10～15 m，共設置23座橋梁，橋跨布置3×10 m，上部結構為先簡支后連續預應力混凝土空心板梁，設計荷載為公路Ⅰ級。工程地質情況以淤泥和黏土為主，淤泥層厚度約20～33.5 m。樁基設置成雙排樁，樁長較大，采用臺后填土堆載預壓期內同步施工橋梁樁基的方法。臺后填土堆載至路面標高+預拋高55 cm后，預壓4個月，然后開始施工橋梁樁基，再進行堆載預壓12個月。

本文綜合考慮23座橋梁的樁長和臺后填土厚度，選取路堤填土高度最大的鮑田1號橋進行分析，其0號臺后填土厚度達到3.288 m，地質柱狀圖見圖1。將鮑田1號橋作為最不利工況，利用大型巖土工程有限元計算軟件Plaxis建立結構有限元模型，進行固結沉降、側向位移、超孔隙水壓力分析。

圖1 鮑田1號橋地質柱狀圖(單位:m)

1.2 材料參數

路堤填土重度考慮了預拋高土體的重量。按照土工試驗結果，滲透系數k采用太沙基一維滲流固結理論進行計算

式中:a為壓縮系數;Cv為固結系數;γw為水重度;e為天然孔隙比［3-4］。

塑料排水板采用等效豎向滲透系數模擬

式中:kh，kv分別為水平、豎直滲透系數;l為排水板長度;D為單元體直徑［5］;μ為考慮了塑料排水板等效直徑、涂抹區直徑、排水能力等指標的參數。本工程設置塑料排水板的排水區域豎向滲透系數提高67～100倍。

因采用二維計算方法，需要把鉆孔樁等效為板樁，方法為改變其彈性模量

式中:E為板樁彈性模量，Ep為鉆孔樁彈性模量，Es為樁長范圍內各層土彈性模量加權值，u為各樁中心距離，d為樁徑。φ1 m鉆孔灌注樁混凝土彈性模量取5.36 GPa，φ1.2 m鉆孔灌注樁彈性模量取6.43 GPa，承臺、橋臺彈性模量取30 GPa，泊松比均為0.2。

2 計算模型

2.1 邊界條件

采用Plaxis 8.2進行結構分析，建立了鮑田1號橋的平面有限元模型。①位移邊界:底部約束UX，UY方向位移，左右兩邊約束UX方向位移。②排水邊界:頂底部為排水邊界，左右兩邊為不排水邊界。

2.2 初始條件和加載工況

取常水位2.64 m為計算水位，生成初始孔壓。考慮到本工程車流量較大，采用城 A車道荷載22.5 kN/m除以一個車道寬度3.75 m，得到交通車輛等效荷載6 kPa計算，加載工況見表1。

2.3 幾何模型

結構有限元模型見圖2，采用15節點的三角形平面應變單元進行結構離散，共有25 809個節點、2 963個單元。

表1 加載工況

圖2 有限元模型

3 結果分析

3.1 固結沉降

固結沉降見圖3。從圖3看出，預壓90 d，210 d，570 d和930 d臺后路堤填土最大固結沉降依次為0.36 m，0.57 m，0.79 m和0.89 m，河道土體隆起最大值為0.32 m，0.31 m，0.24 m和0.22 m。固結沉降最大處發生在塑料排水板變短區域，樁基施工后1年內固結沉降趨于穩定。

3.2 側向位移

側向位移見圖4。從圖4可知預壓60 d，180 d，570 d和930 d土體最大側向位移依次為0.27 m，0.30 m，0.29 m和0.33 m，側向位移最大處發生在河道邊坡區域。樁基施工后2年內水平位移為11 mm。

圖3 路堤填土沉降—時間曲線

圖4 0號臺樁頂及樁頂土體側向位移—時間曲線

3.3 超孔隙水壓力

超孔隙水壓力變化見圖5。從圖5看出，預壓90，210，570和 930 d土體最大超孔隙水壓力依次為－72.5，－69.2，－63.3和 －67.3 kPa。超孔隙水壓力最大處發生在塑料排水板底部以下，并逐步擴散到橋梁樁基之間區域。塑料排水板區域超孔隙水壓力在2年內從 －66 kPa逐步消散至 －9 kPa，排水區域超孔隙水壓力并非立即消散，這與實際狀況是一致的，表明采用等效豎向滲透系數模擬塑料排水板有較好結果。

圖5 塑料排水板底部超孔隙水壓力時間曲線

4 結論

通過上述有限元分析結果，可得出以下結論:

1)臺后路堤填土在90，210，570和930 d最大固結沉降依次為0.36，0.57，0.79和0.89 m，路堤填土固結一年后沉降趨于穩定。

2)土體在 90，210，570和 930 d的最大側向位移依次為0.27，0.30，0.29和0.33 m，樁基施工后2年內樁頂水平位移為11 mm，并保持穩定，不會對橋梁結構產生影響。

3)超孔隙水壓力在90，210，570和930 d最大值依次為 －72.5，－69.2，－63.3和 －67.3 kPa，超孔隙水壓力最大處發生在塑料排水板底部以下，塑料排水板區域2年內超孔隙水壓力從 －66 kPa逐步消散至－9 kPa，排水板工作性能良好。

［1］劉成宇．土力學［M］．北京:中國鐵道出版社，2002．

［2］郎杰．高填土橋臺的研究［D］．大連:大連理工大學，2000．

［3］袁中山．論高填路堤填土施工方法對飽合粘土地基沉降與固結的影響［J］．平頂山工學院學報，2005(11):50-51．

［4］王瑞榮，馬啟和，吳銀亮．杭蘭高速公路某邊坡特征分析及穩定性評價［J］．鐵道建筑，2012(8):82-84．

［5］姜弘，沈水龍．塑料排水板處理的軟土地基的分析［J］．巖土力學，2004(增 2):437-440．

U443．21

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．09．06

1003-1995(2013)09-0018-03

2012-12-25;

2013-05-20

豐月華(1976— )，女，江西上饒人，高級工程師，碩士。

(責任審編 趙其文)