堆載距離對周圍結構物影響研究

李思江， 孟維正

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

軟土是在沿海、沿河地區的飽和軟黏性土，普遍具有天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低、滲透性差、靈敏度高以及流變性顯著等特點[1-2]。經TAVENASF[3],MALEKMSMADI[4]等人研究，在軟土地區進行工程建設如若遇到周邊出現堆載工程，建造的結構物可能會出現較大的水平形變，當變形過大時還會影響結構物的正常使用。因此對于在軟土地基上修筑的橋梁及基礎工程，若在其周邊范圍內進行大規模的堆載工程定會導致結構物的水平變形及沉降等問題。大量工程實踐結果顯示，橋梁工程在堆載工程的作用下，堆載附近的軟土會產生較大的形變，進而致使臨近的橋梁樁基產生較大形變，影響橋梁的通行安全[5-6]。

本文主要研究堆載距離對橋梁樁基的影響，本文以福建某公路橋為背景，分析堆載距離對1#樁柱及梁體的影響。

1 模型說明

土層分布：1#樁處土層由上至下分布為：41m淤泥、4m卵石土、2m淤泥、4m卵石土、2m淤泥、2m卵石土、4m強風化凝灰巖、13m中風化凝灰巖。堆載在橋梁左側，即1-0#樁柱側，土體模型三維展示如圖1所示。

本文主要分析堆載距離對梁體以及1#樁柱的影響。在所有參數不變的情況下，僅改變堆載坡腳與1-0#樁柱中心的距離。具體參數設置如下：

(1)土體單元選取為實體單元，參數按表1選取。

(2)墩樁設置為結構單元，上部蓋梁設置為實體單元，參數選取參數見表2、表3。

(3)堆載高度根據鉆孔數據選為7m。

(4)堆載方式采用從左至右依次堆載的方式。

表1 土參數選取

表2 墩、樁參數選取

表3 上部結構參數選取

(5)堆載距離根據模型設置，依次計算堆載坡腳至1-0#樁柱中心為121m、105m、90m、76m、64m、53m、43m、37m、30m、17m、7m的結果，詳見堆載示意圖2。

圖2 堆載距離示意

2 填土距離對樁柱位移影響

由圖3、圖4可以發現：堆載工程雖對附近的橋梁樁基影響較大，但在堆載距離較遠時對橋體樁基并不會產生影響。當堆載坡腳距離為121m時，橋梁樁基橫橋向位移基本與縱坐標軸重合，位移為0。當堆載距離1-0#樁柱中心105m時已有較大影響，當堆載完成，距離為7m時，樁基側向位移達到38cm。由圖表可以看出樁柱在軟弱土層中的橫橋向位移較大，在硬土層中的橫橋向位移小，在堆載作用下1#樁柱的位移由墩頂向下先增大后隨深度增加而逐漸減小。

圖3 1-0#樁柱側向位移

圖4 1-1#樁柱側向位移

對比各堆載距離可以發現：

(1)當堆載距離較遠時，堆載對結構物無影響，本模型為121m；

(2)樁柱在土體中的整體變形趨勢在各堆載距離時并未發生改變，均是在樁高程為-24～-16m附近位移較大，兩端位移較小，由于是嵌巖樁，樁底的側向位移為0；

(3)樁柱整體的側向位移則隨著堆載距離的減小而不斷增大，且距離越近，增加幅度越大，關系類似對數曲線。

對比1#左右樁柱1-0#與1-1#可以發現：

(1)左右樁受土壓力影響，側向位移趨勢相同，墩頂由于蓋梁約束位移相同；

(2)在相同堆載距離時由于靠近堆載的樁柱比遠離堆載的樁柱受到主動土壓力較大，因此1-0#樁柱的側向位移普遍大于遠離堆載側的1-1#樁柱。

3 填土距離對樁柱彎矩影響

由圖5、圖6可以發現：堆載工程雖對附近的橋梁樁基彎矩整體影響較大，但在堆載距離較遠時對橋體樁基并不會產生影響。當堆載坡腳距離為121m時，橋梁樁身彎矩較小且樁身彎矩變化規律不明顯。但當堆載距離為76m時樁身彎矩迅速增大，最大彎矩達到3×106N·m；當堆載距離為43m時，樁身彎矩相對堆載距離76m時增大約1倍；當堆載完成，距離為7m時，1-0#樁身彎矩大小超過9×106N·m，墩頂彎矩最大1-0#墩頂彎矩超過1×107N·m。由圖可以看出樁在軟弱土層中在堆載的作用下受到主動土壓力較大，導致正向彎矩增大，在下部土質較好的土層中被動土壓力較大，抵抗樁身變形，提供支撐反力。

圖5 1-0#樁柱橫橋向彎矩

圖6 1-1#樁柱橫橋向彎矩

對比各堆載距離下1#樁柱的彎矩圖可以發現：

(1)樁柱的彎矩大小隨堆載距離的減小而增大；

(2)樁柱的整體彎矩趨勢在各堆載距離時并未發生較大改變，僅樁身最大彎矩隨堆載距離的減小有所下移；

(3)在樁高程-40m以下時樁身彎矩成為波浪狀分布，并不是平滑的拋物線形。由于此處為卵石土層與淤泥土層相間分布區域，卵石土層較淤泥土層土質好，能適當抵抗樁體受到的外力影響，但淤泥土受堆載土影響較大。

4 填土距離對梁位移影響

以0#橋臺為縱橋向零點，各墩柱間、墩柱與橋臺間距均為30m，取梁中心點的側向位移數據，繪制圖7、圖8。

通過梁體的變形可以發現，堆載距離為121m時，梁體的側向位移基本為0，與縱坐標軸重合，說明在本工況下當堆載距離結構物121m以上時，對橋梁的上部結構基本沒有影響；當堆載距離為76m時，此時梁體的側向位移相對較小，梁體最大側向位移為4cm，位于2#樁柱處，1#樁柱處與3#樁柱處側向位移均為3cm左右，4#樁柱處為2cm；當堆載距離為43m時，梁體的側向位移迅速增大2#樁柱處位移增加到14cm，1#樁柱處位移增加到10cm，0#臺處側向位移為4.5cm，此時梁體已經形成明顯的平面轉動的趨勢；當堆載完成，堆載距離7m時，結合3.4節中結果分析可以得到：1#、2#樁基受淤泥質土主動土壓力影響產生較大的形變，1#、2#墩柱及蓋梁也相應向右側位移，通過支座帶動梁體向右側位移。由于梁體剛度較大，梁體自身并未發生破壞及形變，僅在平面內發生位移和轉動，此時梁體在4#墩處位移最大，且0#臺處樁基采用管樁群加固，橋臺位移較小，因此橋臺上梁體的位移也相對較小，0#臺處梁體位移最小。

4#樁柱位于兩聯梁的分界處，由圖7可以發現第一聯梁體的位移遠遠大于第二聯梁體的位移，因此在4#樁蓋梁處第一聯梁體通過支座使蓋梁向遠離堆載土方向的方向移動，但第二聯梁體整體側向位移較小，約束了4#蓋梁向右側(遠離堆載土側)移動，從圖中表現形式為：梁體的側向變形并不是一條直線， 在4#樁柱處梁體的位移明顯有向左側反彎的趨勢，在堆載距離較遠的情況下越明顯，如堆載距離為76m時，2#樁柱處梁體位移為4cm，但4#樁柱處梁體的位移只有2cm。

圖7 梁側向位移(兩聯梁)

5 結論

本文通過FLAC3D進行數值建模，分析了不同堆載距離對樁柱變形的影響：

(1)不同堆載距離與樁基變形和內力的變化表現出類似對數曲線的變化性質，當堆載距離較遠時，隨距離的縮短，樁基變形和內力逐漸增加，當距離較近時，隨間距縮短，樁基變形和內力迅速增加。當堆載與橋梁距離足夠遠時，橋梁受堆載影響很小，在本工程中當堆載距離為121m時，堆載對無影響，整體的側向位移基本為0，彎矩也無明顯增大。

圖8 梁側向位移(第一聯梁)

(2)粱位移隨堆載距離的縮短逐漸增大，直至梁體發生平面轉動后位移急劇增大。