软土区砂场堆载对高速公路桥梁下部结构影响分析

软土区砂场堆载对高速公路桥梁下部结构影响分析

计春华

（宁波市交通工程管理中心，浙江宁波，315000）

摘要：本文针对砂场堆载对桥梁结构影响问题，利用有限元分析软件建立了三维实体模型，并进行了不同堆载工况下的计算分析，结构计算结果分析了砂石料场堆载对桥梁结构的影响。计算结果表明：两种工况下均会导致桥梁桩基沉降与水平位移超限，并导致桩身开裂，从而得出砂场的运营对桥梁安全构成威胁。通过本文的研究方法与结论，可为类似的工程提供参考。

关键词：桩基偏位，堆载，软土，柱式墩

1引言

近年来，发生了多起堆载导致桥梁偏位与倒塌的事故，导致了严重的财产损失与不良的社会影响。堆载对桥梁的影响主要原因为附加荷载挤压土体，使得土体出现竖向与水平向的变形，从而带动桩基出现沉降与偏位。针对桥梁桩基偏位的发展过程，国内外学者利用实时监测的方法[1-2]，研究了堆载导致桥梁偏位变形的发展过程。针对堆载引起的桥梁结构偏位状况分析，采用杆系有限元程序进行了模拟，总结了堆土高度与距离对桥梁结构的影响规律[3-4]。在深厚软土区域，由于淤泥质土的力学性质较差，堆载与交通荷载均会导致桥梁下部结构出现偏位[5-6]，甚至出现上部结构偏位爬移情况[7]，所以软土区桥梁周围的荷载情况需要重点关注。然而，不同程度堆载对桥梁的影响规律目前仍不明确，如何在控制桥梁周围荷载情况仍存在较多争议。

本文针对软土区砂场堆载对桥梁结构的影响，对比分析砂场运营的各种不同堆载工况，通过有限元模型，计算其对桥梁结构下部结构的影响，以为高速公路桥梁的运营与管理，及类似工程提供指导。

2工程概况

2.1桥梁概况

某高速公路大桥全长581m，结构形式为25 m装配式预应力简支转连续T梁，下部为直径为1.50 m的钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩长约为56 m，桩基设计承载力4789kN，持力层为黏土层，呈可塑状态，桥梁立面与横断面图如图1~图2所示。

图 1桥梁立面与平面图

图 2桥梁横断面图

桥梁下部结构采用桩柱式墩，墩高约5m，采用三柱式，立柱直径1.3m。

2.2地质情况

大桥位于海积平原区，浅部土层为地表硬壳层、淤泥及淤泥质土，硬壳层杜下浦大桥位于海积平原区，浅部土层为地表硬壳层、淤泥及淤泥质土，硬壳层厚度0.5~4.4 m，表层分布0.3~0.4 m的耕植土；淤泥及淤泥质土呈流塑状，厚度13.2~33.1 m。中下部为粘性土夹粉土，工程性质较差，厚度大于50 m。

软弱土层埋深浅，天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低，固结时间长、透水性差，软土在外力作用下，土的结构强度剧烈降低，甚至发生流动。该层物理力学性质较差，为地基主要压缩层，在外力作用下，容易产生过量沉降、不均匀沉降；该软土厚度分布不均，在外力作用下，由于软土的抗剪强度低，导致土体稳定性较差，作路基基础时易产生侧向路堤滑移、路堤失稳。

2.3砂石料场概况

砂石料堆位于大桥南侧，东西方向长约50 m，南北方向宽约20 m，东侧稍宽3~6 m。在场内堆放砂子与石子，采用地质罗盘仪测的砂堆坡角为37~43°，砂场位置与堆载状况如图3所示。

图 3大桥南侧砂石料场位置

根据现场勘察，最近堆放痕迹为离大桥南侧桩基础桥墩距离5.2 m，现状最大砂堆距离桥梁12.2 m。

3堆载影响建模与分析

根据现场堆载情况，建立三维实体模型，针对堆载对既有高速公路的安全影响评估主要从结构及附属设施沉降、水平位移与结构应力三方面来考虑。考虑到本桥的结构形式为连续梁，结合相关规范计算得到桥墩沉降限值为5mm，相邻墩台沉降差为2.5mm，水平位置限值为5mm。

3.1土层参数

采用有限元软件分析砂石料堆场堆放对杜下浦大桥的影响，计算过程中桩基础、土体、盖梁、T梁应力应变的本构理论采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，桩土界面采用界面进行模拟。水平方向接触利用法向刚度模拟，竖向滑移采用切向刚度模拟。所涉及的各岩土层物理力学参数如表1所示。

表 1土层参数表

3.2计算模型

模型X方向长90.2 m，Y方向长103.2 m，Z方向自地表向下取86 m。桩长56 m，桩底距模型底部边界30 m，底部边界X、Y、Z方向限制位移边界，水平方向左右两侧限制X方向和Y方向的位移边界，沙堆高3.5m，长、宽为3.0~9.0 m，如图4所示。

图 4分析模型

根据现场堆载情况，分别建立了模拟在沙场南侧堆载的两个工况：

工况一：距离桥墩5.2m堆高3.5m；

工况二：距离桥墩12.2m堆高3.5m。

对两种堆载工况进行建模，分析其对桥梁结构的影响，两种工况砂堆布置如下图5~图6所示。

图 5工况一（距桥墩5.2m堆高3.5m）

图 6工况二：（距桥墩12.2m堆高3.5m）

每个工况计算过程共分4个步骤：

Step-1 原岩应力场分析，加载重力场和位移边界条件下，消除原始土层在自重应力场对后续的影响。

Step-2 施加桩基、桥墩与盖梁结构；

Step-3 在盖梁上施加荷载模拟上部梁板重量；

Step-4 模拟沙场堆载，分析砂堆对桥梁结构影响。

考虑到两种工况在堆载前原始应力场相同，给出初始原岩应力场如图7所示。

图 7原岩应力场(kPa)

由上图可见原岩应力场的应力随着深度不断增大，符合实际规律。基于原岩应力场，进行两种工况的分析。

4模拟结果分析

基于建立的有限元分析模型，对两种堆载工况进行计算分析，研究各工况下堆载对桥梁的变形与内力的影响，评估堆载对桥梁结构安全的影响程度。

4.1工况一结果分析

4.1.1位移结果分析

堆载工况一下，桥梁下部结构的位移如图8所示：

(a)桩基竖向沉降位移云图

(b)桩基水平位移云图

图 8堆载工况一下的桩基位移（mm）

由图10可知，靠近堆土的桩基沉降达到7.82mm，桩基沉降差为3.3mm；最大水平位移出现在靠近堆土侧桩基，最大水平位移值为11.84mm。可见堆载工况一下，桩基沉降与水平位移均超过限值。

4.1.2应力结果分析

砂场堆载工况一下桩身正应力如图9所示：

(a)桩身远离堆土侧边缘应力

(b)桩身靠近堆土侧边缘应力

图 9桩体正应力云图

由图11可以看出，桩身远离土堆侧在正应力，在淤泥层中达到最大2.27MPa的拉应力；桩身靠近土堆侧在正应力，在粉质粘土层中达到最大1.00MPa的拉应力。可见桩身在淤泥层部分应力超过了C30混凝土设计抗拉强度1.52MPa，桩身应力状况不满足要求。

4.2工况二模拟结果分析

4.2.1位移结果分析

沙场堆载工况二下，桥梁下部结构的位移如图10所示：

(a)桩基竖向沉降位移云图

(b)桩基水平位移云图

图 10堆载工况二位移云图

由图12可知，靠近堆土的桩基沉降达到7.55mm，桩基沉降差为2.12mm；最大水平位移出现在靠近堆土侧桩基，最大水平位移值为9.75mm。可见堆载工况二下，桩基沉降与水平位移均超过限值。

4.2.2应力结果分析

桩身正应力如图11所示：

(a)桩身远离堆土侧边缘应力

(b)桩身靠近堆土侧边缘应力

图 11桩体正应力云图

由图13可以看出，桩身远离土堆侧在正应力，在淤泥层中达到最大1.49MPa的拉应力；桩身靠近土堆侧在正应力，在桩底粘土与粉质粘土交界处中达到最大0.81MPa的拉应力。可见桩身拉应力接近C30混凝土设计抗拉强度1.52MPa，桩身应力状况满足要求。

5结论

本文针对砂场堆载对桥梁结构影响问题，利用三维数值分析软件建立了三维实体模型并进行了不同堆载工况下的计算分析，结构计算结果分析了砂石料场堆载对桥梁结构的影响，计算结果表明：

(1)当沙场靠近堆料，即堆场坡脚距离桩基础5.2m堆高3.5 m时，桥墩墩顶沉降7.82mm超过限值，且桩身拉应力2.27MPa超过限值，不满足规范要求。

(2)当沙场靠近南边堆料，即堆场距离桩基础12.2m时，当堆高3.5m时，墩顶沉降7.55mm，水平位移9.75mm，均超过限值；桩基最大拉应力1.49MPa接近桩基抗拉强度设计值。

由分析结果可见，两种工况下均会导致桥梁桩基沉降与水平位移超限，并导致桩身开裂，从而得出砂场的运营对桥梁安全构成威胁。通过本文的研究方法与结论，可为类似的工程提供参考。

参考文献

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作者简介：计春华，男，高级工程师，研究方向为公路建设工程施工技术与安全管理。