大面積棄渣對既有橋梁樁基的影響性分析

胡國璽，白 皓，劉 寶，徐海銘，張禮財

(1. 四川高速公路建設開發總公司， 四川成都 610041;2. 西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

大面積棄渣對既有橋梁樁基的影響性分析

胡國璽1，白 皓1，劉 寶2，徐海銘1，張禮財2

(1. 四川高速公路建設開發總公司， 四川成都 610041;2. 西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

土質地基上既有橋梁樁基對大面積棄渣偏載的擾動高度敏感，因此深入分析棄渣大小與距離的影響性十分必要。文章基于三維數值計算方法，建立橋梁樁基計算模型，分析大面積棄渣的影響性。計算結果表明：大面積棄渣易導致地基土發生豎向和側向變形，使既有樁基承受較大的附加荷載甚至開裂折斷，其破壞現象首先發生于土層中樁體上；樁基內力、變形與棄渣高度呈線性關系，與相隔距離呈二次函數關系，當距離達到10～15 m時棄渣偏載的影響就相對較小。

大面積棄渣； 橋梁樁基； 數值計算； 影響

近年來，隨著我國各種基礎設施建設和城市建設的蓬勃發展，產生了大量的建筑棄渣，將其違規丟棄于既有構筑物附近的現象越來越多[1-2]。大面積棄渣對臨近橋梁樁基的工作性狀產生嚴重威脅[3]，易導致較大變形或破壞(圖1)，并且其對線路正常運營的影響很大。大面積棄渣對臨近既有樁基的影響主要表現在[4]：⑴大面積棄渣引起地基發生豎向固結沉降，使樁身承受負摩阻力并產生附加沉降，從而導致橋梁不均勻變形；⑵大面積棄渣中心部分地基以豎向沉降為主，而棄渣邊緣部分地基則以豎向沉降和側向變形為主，臨近棄渣的既有樁基另外還要承受側向擠壓作用，使樁身發生撓曲甚至斷裂破壞。目前，大面積棄渣對樁基影響的研究主要集中在負摩阻力[5]或單一工況條件[6]，而針對棄渣荷載大小與分布位置的影響性研究較少，有必要進一步深入討論。本文將結合工程實例，采用有限元數值計算方法，對大面積棄渣情況下臨近既有橋梁樁基的撓曲變形特性、荷載大小與距離的影響等進行分析，為此類工程的加固設計與施工提供參考。

圖1 某高速公路橋梁樁基被棄渣破壞

1 數值計算模型

選取成都平原地區某典型工況建立計算模型。利用ABAQUS軟件建立三維有限元計算模型，沿線路里程取Z向各半跨作為模型計算范圍，建立地基模型X方向長為50 m，Y方向高度為20 m(不含棄渣厚度)，Z方向寬度為20 m。橋梁樁基采用實體單元模擬，1#與2#樁基中部采用系梁連接、頂部采用蓋梁連接；巖土體也采用實體單元模擬，其中棄渣與土體服從Mohr-Coulomb準則，下部卵石層采用線彈性模型，均按六面體單元進行離散。邊界條件設置時，模型橫向斷面和縱斷面上X、Z方向約束法向位移，底部約束X、Y、Z方向位移。計算模型共有33 768個單元，計算模型如圖2所示，各計算參數取值如表1所示。

圖2 數值計算模型(L=0 m)

地層密度/(kN·m-3)壓縮模量/MPa彈性模量/MPa泊松比粘聚力/kPa內摩擦角/°棄渣183．5400．3658黏土217．61200．263918粉質黏土19．55．4900．282216卵石層17．5-1500．25035

2 計算結果分析

2.1 樁基受力變形分析

以“棄渣高度H為10 m、距離L為0 m”為樁基受力變形分析工況，1#樁基計算結果如圖3所示。

(a)彎矩與剪力 (b)位移與軸力 圖3 樁基內力與變形分布

棄渣偏載作用下地基土體主要發生了側向擠壓變形和豎向沉降變形。地基側向變形則增加了樁基側向載荷，從而使樁基產生了較大的結構內力和變形，其彎矩極值出現于黏土層和粉質黏土層交界面附近和地面處，說明土體側向變形主要發生于上部黏土層中，據此可推測樁身開裂破壞的部位，并且當樁身直接承受棄渣推力時樁頂處也將產生較大的內力。樁基水平位移最大值出現于樁頂，并偏向棄渣方向，與現場病害情況一致；樁基呈以地基面為轉點傾倒變形趨勢(含轉動與沉降變形)，這是地基側向荷載作用于橋梁樁基下部導致的。地基沉降主要來源于黏土層的壓縮變形，從而使樁基承受一定的負摩阻力，線路橫向和縱向的沉降差異導致橋梁樁基發生不均勻沉降變形，常引發橋面開裂。

2.2 棄渣厚度的影響性分析

以“距離L為2.5 m“為基本工況，分析棄渣高度H(4 m、6 m、8 m、12 m、16 m)對既有橋梁樁基受力變形的影響，1#樁基計算結果如圖4和圖5所示。

(a)彎矩 (b)水平位移圖4 不同棄渣厚度下樁基內力變形分布

(a)彎矩 (b)水平位移圖5 不同棄渣厚度下樁基內力變形變化

當棄渣厚度較小時，樁基的橫向變形和內力相對較小，也相對接近。隨著棄渣厚度的增大，土體變形也顯著增加，樁身所承擔荷載也隨之呈線性增長，從而導致樁基變形與內力均變大。計算工況僅考慮棄渣通過地基土變形間接作用于樁基，所以土層中樁基彎矩明顯大于系梁以上樁基的彎矩，最大值出現于黏土層和粉質黏土層交界處(即C高程)，且隨著棄渣厚度的增加土層中樁體彎矩比其他部位的彎矩增大更快。

2.3 相距長度的影響性分析

以“棄渣高度H為10 m”為基本工況，分析距離L(5 m、7.5 m、10 m、15 m、20 m、25 m)對既有橋梁樁基受力變形的影響，1#樁基計算結果如圖6和圖7所示。

(a)彎矩 (b)水平位移圖6 不同距離下樁基內力變形分布

(a)彎矩 (b)水平位移圖7 不同距離下樁基內力變形變化

不同距離下樁基內力變形分布與上述結果基本相同，但是隨著距離的增加樁體彎矩與水平位移呈二次曲線減小。棄渣距離樁基越遠時，擴散到樁身的附加應力也相應較小，內力與變形也明顯降低，當距離超過10 m時這種現象就更加顯著。研究表明，隨著距離的增大，樁身水平位移呈現出短樁的變形特征，但是本文計算結果表明隨著距離的增加樁底變形量反而超過了樁頂變形，說明隨著距離的增大，樁底仍然受到堆載深層擴散的影響，尤其是在深厚軟土地區。

2.4 橋面開裂成因分析

橋梁樁基不均勻沉降是造成橋面開裂的原因，其主要來源包括橫向不均勻沉降和縱向不均勻沉降。本文主要分析橫向不均勻沉降，計算結果如圖8所示。

由計算結果可知，靠近棄渣一側的樁基(即1#樁)沉降比另一側(即2#樁)大。隨著相隔距離的增加，兩樁樁頂沉降差逐漸減小，當距離大于15 m時沉降值及其沉降差近乎

(a)棄渣高度 (b)距離圖8 樁頂沉降變形規律

為零，此時可忽略棄渣對樁基受力的影響。隨著棄渣厚度的增加，兩樁樁頂沉降差也越來越大，基本呈線性規律增大。本文計算工況下，當棄渣厚度H為16m、距離L為2.5m時，1#和2#樁基樁頂沉降差為4.6mm，橫向樁間距7.2m，此時蓋梁傾斜率約0.64‰，再加上樁基豎向絕對沉降及其縱向不均勻沉降，將使橋面產生較大的拉應力甚至導致開裂。

3 結論

(1)地基土變形除了導致樁基承受一定的負摩阻力外，還使其承受一定的橫向載荷，并產生較大的內力和變形，從而引起樁基礎的不均勻變形和破壞。

(2)大面積棄渣偏載作用使臨近既有橋梁樁基產生附加彎矩與變形，其與棄渣高度呈線性關系，與相隔距離呈二次函數關系，當距離達到10～15m時棄渣偏載的影響就較小。

(3)棄渣偏載間接作用于樁基上，變形極大值出現于樁頂，彎矩極大值則位于黏土層和粉質黏土層交界處，樁基開裂破壞首先發生于土層中樁體上。

(4)在大面積棄渣偏載作用下，既有橋梁樁群沿線路縱向和橫向產生嚴重不均勻變形，易使橋面產生較大的拉應力甚至開裂，因此運營中應加強監管，以保證橋梁安全。

[1] 吳健, 王屹峰, 劉開富, 等. 大面積堆載下地下構筑物性狀研究[J]. 巖土工程學報, 2008, 30(9): 1343- 1348

[2] 張曉斌, 姜忻良. 鄰近大面積堆載下某廠房結構的不均勻沉降分析[C]//中國土木工程學會橋梁及結構工程分會編：第19屆全國結構工程學術會議論文集. 北京: 人民交通出版社, 2012： 426-429

[3]BransbyMF,SpringmanSM. 3-dfiniteelementmodelingofpilegroupsadjacenttosurchargeloads[J].ComputersandGeotechnics, 1996, 19(4): 301-324

[4] 解家畢, 劉祖得, 劉小文. 大面積堆載情況下樁基礎的力學特性分析[J]. 武漢大學學報:工學版, 2004, 37(3): 57-60

[5] 師旭超, 張新娟. 大面積堆載條件下樁基負摩阻力研究[J]. 山西建筑, 2008, 34(17): 1-2

[6] 張建勛, 陳福全, 黃建華. 受堆載超載影響下的樁基性狀分析研究[J]. 福建工程學院學報, 2003, 1(4): 16-21

胡國璽(1982～)，男，工程師，主要從事高速公路建設管理工作；白皓(1984～)，男，工程師，主要從事高速公路建設管理工作。

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[定稿日期]2014-12-31