不同墩間距下回填土對(duì)既有橋墩影響的分析

曹頌

（長(zhǎng)沙中大建設(shè)監(jiān)理有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410075）

一、引言

隨著城市道路路網(wǎng)的快速發(fā)展，部分新建道路下穿既有道路，需對(duì)既有道路下橋墩進(jìn)行回填處理。回填土的填筑，致使橋墩的受力平衡狀態(tài)被打破，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)致使橋墩產(chǎn)生較大的位移，影響結(jié)構(gòu)安全性。

本文以某下穿道路為例，分析了不同墩間距下回填土對(duì)既有橋墩的影響，探究了臨界墩間距與回填土之間的影響關(guān)系，期望能夠?qū)︻?lèi)似的工程設(shè)計(jì)及施工提供參考。

二、工程概況

（一）地質(zhì)情況

擬建下穿道路地層的新老順序?qū)?yīng)各地層巖性特征如下：

1.第四系全新統(tǒng)（Q4ml）

素填土（Q4ml）：雜色，由粉質(zhì)粘土、砂、泥巖碎石及少量生活垃圾、建筑垃圾等組成，結(jié)構(gòu)松散～稍密，回填時(shí)間約為1年～3年不等，隨意堆填，分布不均，其厚度為1.70m～2.70m。

粉質(zhì)黏土（Q4el+dl）：褐色、紫色、紫紅色，軟塑～可塑狀，切面稍有光澤，無(wú)搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度、韌性中等，不含包裹物。表層土（厚約0.20m）植物根系較多。根據(jù)鉆探揭露，其厚度為0.50m～1.80m。

2.侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）

泥巖（J2s-Ms）：紫、紫紅色，主要礦物成分為黏土礦物，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，局部含砂質(zhì)。根據(jù)鉆探揭露，其厚度為1.00m～16.10m。泥巖為場(chǎng)地的主要巖層。

砂巖（J2s-Ss）：淺紫色、灰白色，主要礦物成分為巖屑、長(zhǎng)石、石英、云母等，含鈣、泥質(zhì)膠結(jié)。細(xì)粒結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造。中等風(fēng)化帶巖石，巖芯呈柱狀，其厚度為1.10m～16.00m。

（二）項(xiàng)目概況

擬建道路設(shè)計(jì)標(biāo)高高于現(xiàn)狀地貌。道路右側(cè)佇立兩現(xiàn)狀橋墩，距離道路邊線距離約13.87m，與道路設(shè)計(jì)標(biāo)高高差約12m。

擬建道路填方邊坡每8m為一級(jí)，邊坡坡率均為1：2，兩級(jí)邊坡間留2m寬?cǎi)R道。

三、有限元模型建立及分析

（一）有限元軟件簡(jiǎn)介

Midas GTS將有限元單元法與巖土結(jié)構(gòu)的專業(yè)性相結(jié)合，可較真實(shí)地反應(yīng)土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，具有處理復(fù)雜多變邊界及荷載條件的能力，其計(jì)算結(jié)果相對(duì)于其他有限元軟件而言偏安全，能滿足大部分工程的實(shí)際需求，具有快速直觀三維建模、專業(yè)巖土分析、準(zhǔn)確生成自動(dòng)網(wǎng)格并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行直觀分析等優(yōu)勢(shì)，深受廣大工程設(shè)計(jì)師的青睞。

（二）有限元模型建立

對(duì)于有限元模型的尺寸邊界，如果過(guò)小會(huì)導(dǎo)致模型內(nèi)部受力紊亂，影響模型分析結(jié)果，甚至出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤。為了保證有限元模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，此次回填道路模型的寬度為道路填方高度的4倍～5倍，模型高度為既有橋墩長(zhǎng)度的3倍～4倍。結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，此次有限元模型頂面自由，側(cè)面均為水平固定，模型底部為水平及豎直固定。

（三）材料參數(shù)

土體之間的本構(gòu)模型主要有線彈性模型、鄧肯-張模型、摩爾-庫(kù)倫模型，此次有限元模型對(duì)于橋墩采用線彈性模型，對(duì)于巖土采用常規(guī)的摩爾-庫(kù)倫模型。

（四）邊界約束條件

有限元模型的底部為基巖，巖層厚20m，因此不考慮模型底部的變形，模型兩側(cè)與具體結(jié)構(gòu)計(jì)算范圍外有一定距離；不考慮模型邊界的水平變形，橋墩頂面不做約束，所建立的有限元模型如圖1所示。

圖1 道路回填有限元模型圖

四、有限元結(jié)果分析

（一）臨界墩間距

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)填土高度為12m，橋墩直徑為1.5m、2m和2.5m時(shí)，不同墩間距下的土體位移云圖如圖2～圖4所示。

圖2 土體位移（D=1.5m）

圖3 土體位移（D=2m）

圖4 土體位移（D=2.5m）

當(dāng)橋墩直徑為1.5m時(shí)，其臨界墩間距為4.5m；當(dāng)橋墩直徑為2m時(shí)，其臨界墩間距為4m；當(dāng)橋墩直徑為2.5m時(shí)，其臨界墩間距為2.5m。當(dāng)橋墩直徑較小時(shí)，墩周土體易產(chǎn)生“土拱”效應(yīng)。當(dāng)墩間距變大時(shí)，“土拱”效應(yīng)變小。因此，橋下回填土對(duì)橋墩的影響與墩間距關(guān)系甚微。

（二）臨界填土高度

在墩間距一致的情況下，對(duì)應(yīng)不同的填土高度，其對(duì)橋墩產(chǎn)生的順向位移不同，當(dāng)填土大到一定高度時(shí)，墩間距對(duì)橋墩的位移影響較大。

由圖5～圖7可以看出，當(dāng)回填土的高度小于8m時(shí)，不同墩間距下回填土致使橋墩產(chǎn)生水平位移的范圍相差不大；橋墩直徑越大，其水平位移受墩間距的影響越小。對(duì)于雙墩結(jié)構(gòu)橋梁，當(dāng)兩墩之間的距離大于臨界墩間距時(shí)，回填土對(duì)橋墩的影響可按照單墩結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算。

圖5 橋墩位移（D=1.5m）

圖6 橋墩位移（D=2m）

圖7 橋墩位移（D=2.5m）

當(dāng)回填土的高度大于8m時(shí)，墩間距對(duì)橋墩水平位移的影響程度較大。當(dāng)橋墩直徑為1.5m時(shí)，其填土高度不應(yīng)大于5m；當(dāng)橋墩直徑為2m時(shí)，其填土高度不應(yīng)大于7m；當(dāng)橋墩直徑為2.5m時(shí)，其填土高度不應(yīng)大于8m。

（三）橋墩保護(hù)

此次擬建道路回填土高度為12m，經(jīng)計(jì)算，回填土對(duì)橋墩產(chǎn)生的最大水平位移約8.5mm，需采取相應(yīng)的保護(hù)措施，保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

此次對(duì)橋墩采用鋼筋混凝土護(hù)筒進(jìn)行防護(hù)，護(hù)筒壁厚40cm，護(hù)筒采用鋼筋混凝土護(hù)筒（C30），混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為20.1MPa，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為14.3MPa。其彈性模量為3×1010Pa，泊松比為0.2，容重為25kN/m3。

經(jīng)計(jì)算，護(hù)筒中部位移較小，且呈內(nèi)凹趨勢(shì)，護(hù)筒的最大水平位移為4.2mm，小于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)5mm，滿足工程所需。

經(jīng)計(jì)算，護(hù)筒底部應(yīng)力最大，其最大應(yīng)力為6.4MPa，小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，滿足工程所需。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元分析不同墩間距下回填土對(duì)既有橋墩的影響，主要得出了以下幾個(gè)結(jié)論：

1.當(dāng)橋墩直徑為1.5m時(shí)，其臨界墩間距為4.5m；當(dāng)橋墩直徑為2m時(shí)，其臨界墩間距為4m；當(dāng)橋墩直徑為2.5m時(shí)，其臨界墩間距為2.5m。

2.當(dāng)回填土的高度大于8m時(shí)，墩間距對(duì)橋墩水平位移的影響程度較大。當(dāng)橋墩直徑為1.5m時(shí)，其填土高度不應(yīng)大于5m；當(dāng)橋墩直徑為2m時(shí)，其填土高度不應(yīng)大于7m；當(dāng)橋墩直徑為2.5m時(shí)，其填土高度不應(yīng)大于8m。

3.當(dāng)填土高度超過(guò)8m時(shí)，需采取工程措施保護(hù)既有橋墩。