软土地区路基填土施工对邻近桥梁桩基影响的数值分析

郑楷柱，郑恒斌，杜立凡

（1.广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510507；2.华南农业大学水利与土木工程学院，广东 广州510642；3.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510641）

近年来，随着我国公路及城市道路的大规模建设，越来越多地出现了新建道路下穿既有桥梁的工程项目。道路施工中面对软土地基时常需要进行地表填土以作加固处理，进行路基填土会引起周围土体发生位移，进而对邻近的桥梁桩基产生不可忽视的影响。由于桩周土体沉降过大引起的负摩擦力往往导致桩基变形过大、承载力降低和不均匀沉降等问题， 从而引起上部结构开裂甚至坍塌[1]-[3]，而由堆载引起的桩基侧向受荷会使桩基产生水平变形和弯矩， 甚至出现失稳与破坏[4]-[8]。国内外学者对该问题开展了一系列的研究工作，在现场观测方面，冯忠居等[9]对在堆载条件下软土地基的侧向位移模式、变形规律以及邻近桩基的力学形状进行了分析；模型试验方面，Springman 等[10]通过离心试验，研究了堆载作用下桩基变形与弯矩的变化规律；数值模拟方面，李志伟[11]结合具体工程实例，利用有限元方法对软土地基在不对称堆载作用下引发桥梁桩基的位移与附加内力进行了分析。本文以某沿海软土地区新建道路在既有运营桥梁下方进行软基处理及路基填土施工为工程背景，分析地面填土堆载对邻近桥梁桩基的影响。

1.项目概况

图1 桥下河堤及道路填土分布情况

某新建道路在下方横穿既有（33+33+30）m 预应力砼连续刚构桥，交叉位置为桥梁66#~68#墩。桥梁上部结构采用单箱三室箱梁，中墩为墩梁固结。箱梁分2 幅布置，每幅箱梁的基础采用群桩基础，设置2 根直径为1.4m 直径的桩基。在道路施工过程中，由于桥下区域为河堤软土区，土质较差，需要进行软基处理，对河堤淤泥采用水泥搅拌桩处理，软基处理后在地表处进行两次的路基填土。桥下河堤及道路的填土分布情况见图1 所示。

2.桩-土效应分析模型的建立

2.1 地质概况

下部结构采用嵌岩桩，地质的表层有20m 左右的淤泥，中层为砂层及全风化次石英斑岩、花岗岩，深层岩层为微风化次石英斑岩、花岗岩。地质纵断面见图2 所示。

图2 地质纵断面图

2.2 填土施工过程

河堤处的水泥搅拌桩处理采用D600mm 的接长搅拌桩，桩长20m，间距为1m，在距离桥墩及梯道边缘3m 处采用隔离搅拌桩，间距0.4m，搅合0.2m。道路处的水泥搅拌桩采用正三角形布置，桩径50cm，桩间距1.4m，搅拌桩应穿过软土层，进入砂层或黏土层0.5m 以上，当软土地面埋深超过20m 时，按照20m 控制。水泥搅拌桩顶铺设30cm 碎石垫层。碎石垫层顶部及底部各铺设一层双向钢塑土工格栅。

在水泥搅拌桩加固完成后，需要进行路基填土，填土分为两次进行。第一次填土位置在河堤处，填土高度为2.5m，宽度为河堤范围，约42m；第二次填土位置在道路处，填土高度为1m，宽度为河堤至已建辅道范围，约66m。第一次及第二次填土范围见图1 所示。

2.3 平面应变分析模型

由于地基填土范围长度远比宽度大，且沿长度方向填土高度与宽度均可视为不变，故此工程中的堆载问题可以简化为平面应变问题进行分析。

采用Midas GTS NX 建立的有限元模型如图3 所示，模型长150m、深60.5m，桩基距离土体边缘为30m，桩间距为30m。土层采用平面应变单元模拟，土层分为5 层，分别为杂填土、淤泥、砂、中风化花岗岩、微风化花岗岩，其中淤泥采用了水泥搅拌桩处理，其力学参数按改善后考虑，土层力学参数见表1 所示。桩基采用梁单元，与土层采用共节点。

图3 有限元模型示意图

表1 土层力学参数

本分析依照填土施工过程共分为4 个施工阶段：

（1）初始应力平衡：对淤泥层进行水泥搅拌桩加固，进行土层、桩初始应力平衡，位移清零。

（2）填土1：第一次填土，高2.5m，宽60m，模拟堤岸填土。

（3）填土2：第二次填土，1m，宽90m，模拟道路填土。

3.填土施工数值分析结果

3.1 位移分析结果

第1 次河堤填土时，66、67#轴的桩基直接承受竖向填土荷载，同时产生水平土荷载。第1 次填土时桩基的水平及竖向位云图见图4~图5 所示。

第1 次填土时，桩基在河堤填土作用下，66、67、68、69#墩桩基最大位移分别为4.52mm、10.96mm、5.31mm、2.24mm，桩基发生最大水平位移为10.96mm，位于中墩67 轴处桩基。

第1 次填土时，桩基在河堤填土作用下，66、67、68、69#墩桩基最大沉降分别为1.33mm、0.67mm、0.02mm、0.01mm，桩基发生最大沉降为1.33mm，位于边墩66 轴处桩基。

图4 第1 次填土时桩基水平位移云图（mm）

图5 第1 次填土时桩基竖向位移云图（mm）

第2 次道路填土时， 68、69#轴的桩基直接承受竖向填土荷载，同时产生水平土荷载，部分平衡河堤填土，该填土有利于桩基受力和减小水平位移。第2 次填土时桩基的水平及竖向位云图见图6~图7 所示。第2 次填土时，桩基在河堤填土作用下，66、67、68、69#墩桩基最大位移分别为3.19mm、8.56mm、3.65mm、1.52mm，桩基发生最大水平位移为8.56mm，位于中墩67 轴处桩基。第2 次填土时，桩基在河堤填土作用下，66、67、68、69#墩桩基最大沉降分别为1.33mm、0.95mm、0.58mm、0.57mmmm，桩基发生最大沉降为1.33mm，位于边墩66 轴处桩基。

图6 第2 次填土时桩基水平位移云图（mm）

图7 第2 次填土时桩基竖向位移云图（mm）

从计算结果可知，加载历程对桩基水平位移有较大影响，对称的加载有利于控制水平位移。在加载过程中出现的最大水平位移为10.96mm，位于67#墩。

3.2 桩基内力分析结果

在桥梁建成时，桥梁桩基已经存在着初始内力，填土过程会使桩基产生附加内力。第1、2 次填土产生的桩基附加弯矩图见图8~图9 所示。第1 次填土时，桩基在河堤填土作用下，桩基最大附加正弯矩为142.7kN·m，最大附加负弯矩为-121.3kN·m，位于中墩67 轴处桩基。第2 次填土时，桩基在道路填土作用下，桩基最大附加正弯矩为89.6kN·m，最大附加负弯矩为-21.8kN·m，位于中墩67 轴处桩基。

从内力计算结果可知，桩基内力在填土过程中，产生的附加内力较小；在考虑附加内力的标准组合下的桩基内力，经验算，满足承载能力要求。为此填土后桩基仍能满足承载能力要求。

图8 第1 次填土时桩的附加弯矩图（kN·m）

图9 第2 次填土时桩的附加弯矩图（kN·m）

4.结语

结合桥下软基处理情况，使用Midas GTS NX 对桥梁下部结构建立桩土岩土模型，进行桩基位移与内力分析，主要结论如下：填土过程对桩基水平位移有较大影响，最大的位移量为10.96mm；对称填土有利于控制水平位移。在填土过程中，桩基产生的附加内力较小；在考虑附加内力的标准组合下的桩基内力，经验算，满足承载能力要求。为此填土后桩基仍能满足承载能力要求。