非对称路堤填筑对邻近桥桩影响分析

王江，杜冰，张坤勇，郭楷文

（1.中山市交通项目建设有限公司，广东 中山 528403；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安 710075；3.河海大学岩土工程科学研究所，南京 210024)

1 引言

随着我国社会经济的不断发展，新建或改建公路与城市高架桥并行的工程数量逐渐增多。路桥共线工程可以节约土地资源，但高架桥桥桩在非对称路基填筑下，原有力学平衡条件发生改变。若软土未经过有效处理，路堤填筑引起的土体水平位移会导致桩基偏移，影响上部结构的正常使用[1]。临近堆载影响桩基功能导致桥梁损失的事故屡有发生[2-3]，为防止在建桥桩因路堤填筑引起过大偏移或损毁，可对软土地基进行处理，常见方法是施作水泥土搅拌桩或混凝土桩形成复合地基。近年来，浅层就地固化技术因可以较好地改善地基承载性能，在深厚软土地区得到应用[4]。在现有规范没有明确规定施工期桩基变形控制要求的情况下，对设计方案进行合理的数值模拟，分析路堤填筑引起的桥桩内力、变形十分必要。数值模拟的关键在于土体本构关系的选择和其参数的确定。Roscoe 和Burland提出修正剑桥模型，对于软土具有很好的适用性[5]。修正莫尔-库伦模型是莫尔-库伦模型的扩展形式，其将非线弹性和塑性模型相结合，可以合理计算应力变化引起的土体沉降与变形[6]。

本文以某一级公路路桥共线工程为例，通过数值模拟分析非对称堆载对邻近桥桩的影响。考虑到土层性质的不同，软土选用修正剑桥模型，其他土体选用修正莫尔-库伦模型，使计算结果更具准确性。

2 工程概况

该一级公路路桥共线工程位于珠三角地区，在共线段27.25 km 范围内取110 个地质钻孔，勘察结果显示软土厚度超过15 m 的孔占比94.5%，工程沿线属于深厚软土地区。路面总宽度41.5 m，两侧道路宽度为14.25 m，路基标准断面图如图1 所示。

图1 路基标准断面图

桥桩直径为2.8 m，2 根桥桩间距9.0 m，路堤放坡比为1∶1.5，路堤平均填筑高度为3.6 m。考虑到实际施工过程中要保证单侧道路通行，因此，计算中考虑单侧软基处理与路堤填筑的工况，此时桥桩会受到非对称荷载作用。有两种软基处理方案：一是水泥土搅拌桩复合地基方案（下文称为方案1），二是就地固化结合水泥土搅拌桩复合地基方案（下文称为方案2）。

3 有限元模型建立

3.1 参数取值

确定修正剑桥模型的屈服面和应力应变关系需要3 个试验参数，压缩参数λ、回弹参数κ 和M。可通过单向固结回弹试验先求得压缩指数Cc和膨胀指数Cs，然后根据经验关系求得λ、κ[7]。M 可通过常规三轴剪切试验求得。修正莫尔-库伦模型参数可通过一般室内试验或现场勘察取得。根据室内试验和现场勘察报告，具体参数取值如表1、表2 所示。

表1 软土参数取值

表2 其他土体参数取值

桥桩采用弹性模型，长度为90 m，重度为23.5 kN/m3，泊松比为0.167，弹性模量为3.15×107kPa；水泥土搅拌桩采用修正莫尔-库伦模型，桩间距1.3 m，长度15 m，重度为22.0 kN/m3，泊松比为0.2，压缩模量为1.0×105kPa。

3.2 有限元模型建立

为分析桥桩在单侧路堤堆载作用下的应力变形响应，建立有限元模型如图2 所示。

图2 有限元模型

为减小边界效应，模型尺寸设置为230 m×140 m，土体共划分4 层。模型两侧水平约束，底部水平和竖直均约束，地下水埋深1 m。图2 中右侧为桩距1.3 m，长度15 m 的水泥土搅拌桩。将左侧桥桩命名为桥桩1，右侧桥桩命名为桥桩2。路堤填筑高度取3.6 m，分6 层进行填筑，每层填筑时间为1 d。有就地固化处理时，路堤填筑不设置垫层；无就地固化处理时，路堤填筑设置有60 cm 垫层。

在实际施工中，单侧堆载状态最多持续半年，但为了说明单侧堆载对桥桩及土体的影响规律，有限元计算中将单侧堆载状态持续到堆载完成3 年后。

4 计算结果分析

4.1 桩身水平位移

桥桩的桩身位移、转角随堆土过程及时间变化如图3～图4 所示。

图4 方案2 桩身位移

由图3、图4 可以看出，随着路堤填筑高度的增加，桥桩水平位移不断增大。填筑高度不大时，桩顶位移相对较小，桥桩2最大水平位移发生在16～22 m 的位置；路堤填筑结束时，桥桩2 最大水平位移发生在桥桩顶部，方案1 中桥桩2 最大水平位移为46.7 mm，方案2 中桥柱2 最大水平位移为20.7 mm。桥桩1 整体规律和桥桩2 类似，路堤填筑结束时，方案1 中桥桩1 最大水平位移为43.9 mm，方案2 中桥柱1 最大水平位移为20.4 mm。方案1 路堤填筑完毕3 年内桥桩的水平位移有明显变化，方案2 因采用了就地固化，路堤填筑完毕3 年内桥桩的水平位移无明显变化。

4.2 桩身弯矩

根据材料力学知识，已知梁的挠度或转角，即可求出梁的内力，梁的挠曲线近似微分方程为：

式中，ω 为梁的挠度；θ 为梁的转角；M 为梁的弯矩；EI 为梁的抗弯刚度；x 为梁的挠曲线近似微分方程的位置坐标。

桥桩可视为梁，根据挠曲线近似微分方程和上文数值计算得到的桩身位移或转角可以求出桩身弯矩，如图5 和图6所示。

图5 方案1 桩身弯矩

图6 方案2 桩身弯矩

由图5、图6 可以看出，因为桥桩1 和桥桩2 边界条件不完全一致，所以剪力和弯矩变化规律有所不同。对于方案1，桥桩2 上部的堆土和邻近的长度15 m 的水泥土搅拌桩对桥桩产生约束。堆土高度达到3.6 m 时，桥桩2最大弯矩为8 079.6 kN·m。堆载完成半年后，桥桩2 最大弯矩为4 567.5 kN·m。桥桩1 上部无堆土，邻近无水泥土搅拌桩，约束弱于桥桩2。堆土高度达到3.6 m 时，桩身最大弯矩为6 447.2 kN·m。堆载完成半年后，桩身最大弯矩为8 023.9 kN·m。

对于方案2，桥桩2 上部的堆土、固化土和邻近的长度15 m 的水泥土搅拌桩对桥桩产生约束。堆土高度达到3.6 m时，桥桩2 最大弯矩为6 627.7 kN·m。堆载完成半年后，桥桩2 最大弯矩为7 175.5 kN·m。桥桩1 上部无堆土，邻近无水泥土搅拌桩，约束弱于桥桩1。堆土高度达到3.6 m 时，桩身最大弯矩为4 697.1 kN·m。堆载完成半年后，桩身最大弯矩为4 826.9 kN·m。

根据上述计算，在设计阶段应在桩身弯矩较大位置范围内加强配筋。在实际施工时，应尽量避免非对称路堤填筑工况的出现，应采取对称填筑或将公路两侧填筑高度差控制在一定范围内，避免桥桩产生过大位移，影响后续施工。

5 结论

基于某一级公路路桥共线工程，本文计算了不同软基处理方案非对称路堤填筑条件下邻近桥桩桩身的水平位移、转角和弯矩的变化，主要结论如下。

1）随着堆土高度的增加，桥桩水平位移不断增大。填筑高度不大时，邻近路堤填筑的桥桩2 最大水平位移发生在16～22 m的位置；路堤填筑结束时，桥桩2 最大水平位移发生在桥桩顶部。就地固化结合水泥土搅拌桩复合地基方案比水泥土搅拌桩复合地基方案能更好地控制桩身位移，路堤填筑完毕3 年内桥桩的水平位移无明显变化。

2）根据挠曲线近似微分方程和数值计算得到的桩身位移或转角可以求出桩身弯矩。在桩身弯矩较大位置范围内应加强配筋。实际施工时，应尽量避免非对称路堤填筑工况的出现。