桥侧大面积堆土对桥梁安全性的影响

贺志勇 张浩然 杨程 杨永红

(华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640)

“十三五”规划以来，国家持续实施公路安全生命防护和危桥改造工程，桥梁结构安全水平不断提升，但因我国公路基础设施历史欠账较多，安全形势仍不容乐观，其中大量位于软土地区的桥梁，桥侧时常出现大面积堆土情形，如临时堆放挖填方土、弃土、工程建材和工后废料等，存在严重的安全隐患。近年来因大面积堆土致使土体丧失稳定的破坏事故频发，经济损失、人员伤亡和社会负面影响较大。如2016年3月25日杭州绕城西线五常收费站附近桥梁因周边工地施工堆土处置不当，致使桥墩倾斜、梁板滑落，桥梁突然发生断裂，导致通行中断，车辆拥堵；2015年12月20日深圳市红坳余泥渣土受纳场因堆放的渣土和建筑垃圾堆积量大、堆积坡度过陡而导致失稳垮塌，73人死亡、4人失踪，33栋建筑损坏，直接经济损失8.8亿余元；2009年6月27日上海莲花路一在建13层住宅楼因土方堆放不当导致房屋倾倒，1人死亡，直接经济损失1 900余万元。土体失稳引发的桥梁安全事故日益受到公众的关注，成为研究的热点之一。文献[1- 4]进行了土体水平位移对桩基影响的实验室模拟测试；文献[5- 6]通过堆载场位变监测数据，推算影响临近建筑桩基础的安全距离；文献[7- 9]分别采用有限元软件PLAXIS、ABAQUS和ANSYS模拟了桩体在不同地面堆载与作用位置、桩土条件、桩身约束条件的工况，分析了主梁连接方式对其剪切变形及挠度的影响；文献[10]结合现场桩基偏位实测结果，对比分析了单侧、双侧堆载作用下桩基弯矩方向、反弯点等特征变化。

综上可见，目前学者大多侧重于堆载周围土层变形、桩周土与桥梁桩基的相互作用方面，关于桥梁整体内力和位移分析、影响构筑物结构安全的研究较少，对于不同桥梁结构形式在非对称堆载影响下的响应差异的分析更少。文中依托某高速公路匝道桥桥侧大面积堆土后的安全性评估工程，利用有限元软件ABAQUS建立桥梁-地基土-堆载土的计算模型，选取不同桥梁结构形式、堆土维度等变量建立多组研究工况，模拟分析堆载土的挤土效应、地基土层变形、桥梁桩土耦合关系以及桥梁整体结构位移和内力的变化过程，用以评估堆载后匝道桥的安全状态；根据堆载影响下地基土的变形规律，探讨堆土维度差异对桥梁结构安全的影响；最后对比分析了不同桥梁结构形式非对称堆载下的安全状态。

1 依托工程概况

某高速公路匝道桥跨径组合为16 m+9×20 m+16 m，曲线半径约120 m，上部结构为钢筋砼连续箱梁，主梁宽9.5 m，高1.2 m，采用40号混凝土；下部结构1#-10#桥墩为独柱墩，墩梁固结，0#、11#桥台为双柱墩双支座；桩基为单排桩，单排布置两个桩，桩径1.5 m，间距4 m，桩底标高均在风化岩层上，桩长38～46 m不等，由6.5 m×2.5 m×1.5 m承台连接，采用30号混凝土，墩柱布置48根φ25主受力钢筋，单根桩基布置20根φ25主受力钢筋。土体主要参数如表1所示。

表1 土体主要参数

如图1(a)所示，因改扩建施工，桥侧出现大面积堆土。经现场调查，堆土情况如下：堆土位于桥梁内侧，宽约28 m，高2～7 m，边缘距桥梁中心约12 m；0#桥台-4#桥墩，堆土高7 m；4#桥墩-11#桥台，堆土高由7 m渐变至4 m，如图1(b)所示。

(a)实物图

图1 匝道桥及堆土实物图和平面示意图

2 有限元模型

2.1 堆土和地基土模型

地基土层模型设置为300 m×150 m×60 m，长度在匝道桥首尾距离1.5倍以上，远高于桩基直径，因此可忽略因边界效应产生的计算误差，模型底部采用固定约束，侧面边界限制其横向位移，顶面自由无约束。

堆土模型根据现场调查结果，统一将坡度设置为1:0.5，控制形状变量分别为堆土高度H、堆土宽度W和堆土间距L，如图2(a)所示。

土体材料属性定义按照表1设置，其中堆土层材料定义为素填土，并假设堆土层与地基土层层间位移完全耦合。土体网格单元采用通用实体单元C3D8R，为保证求解精度和模型收敛性，对匝道桥下方地基土层进行分阶段加密，如图2(b)所示。

2.2 桥梁、支座模型

桥梁模型按照竣工图建立，对主墩、承台和桩基采用中性轴分网技术，最小化网格过渡(见图2(b))。

(b)桥梁和墩台基础

(c)支座和伸缩缝

参考前人研究[8]，模型结构网格划分采用非协调单元C3D8I，该单元类型在分析模型受弯时精确度较高。

为研究不同结构形式桥梁非对称堆载影响下的变形差异，以原匝道桥为基础，在部分墩顶增设伸缩缝，并安置支座，经计算墩顶最大荷载约为2 500 kN，根据相关规范[11]，选取板式橡胶支座GJZ 300×400×74(CR)，支座每层中间橡胶片厚8 mm，上下表面橡胶片厚2.5 mm，每层钢板加劲层厚3 mm，共计7层加劲钢板。伸缩缝处梁底由4个支座支撑，每片梁2个支座，如图2(c)所示。支座模型内部各橡胶层与加劲层之间设为绑定约束，以降低计算成本[12]。

2.3 桩土相互作用

采用面面接触、有限滑移的算法，以硬接触和库伦摩擦形式模拟桩周土正压力和摩擦力，摩擦因数由各土层内摩擦角确定。库伦摩擦即摩尔库伦模型，其屈服准则为：使得材料屈服破坏的内力，表现为其屈服面上的点的剪应力等于材料的抗剪强度[13]，即

(1)

2.4 模型类型及工况参数

为研究不同类型匝道桥在当前和极端非对称堆载下的内力和位移变化差异，建立3种有限元桥梁模型：①模型1(原桥，墩梁固结形式)，除桥台外其余桥墩均采用独柱墩、墩梁固结形式；②模型2(半固结形式)，分别在2#、4#、7#、9#墩顶设置伸缩缝和支座)；③模型3(简支梁桥)，全桥墩顶均设置伸缩缝和支座。

考虑桥梁模型类型、堆土高度、堆土宽度、堆土间距的影响，计算参数选取如表2所示。

表2 计算参数1)

1)除组5中W与L值的选取为一一对应的关系外，其他组均为各参数自由组合；2)组1算例即为当前非对称堆载下某匝道桥的模型工况；3)堆土高度中的2～7 m表示图1(b)中的堆土情况。

3 结果分析

3.1 模型验证

为验证本文模型数值模拟计算结果的可靠性，以组1算例为基础，对本文模型的模拟结果与文献[8,10,14]的研究结果进行了对比分析。

根据文献[10]，在侧方堆载影响下，桩身发生S型变形，反弯点位于软硬土层交界处附近。根据本文模型计算结果，从位于堆载最高附近的2#、3#、4#墩桩身深度-弯矩曲线(见图3(a))可见，桩基在侧向荷载影响下产生正负弯矩，零点位于10 m深度附近，本文淤泥质软土层模型顶端平均深度为10 m，说明模拟结果与文献[10]关于桩身反弯点的结论非常一致。

根据文献[8]，软土地区端承桩在堆载荷载影响下，桩体进入土体后轴力开始近似呈线性增长，直到穿过淤泥层后才有减小的趋势。本文淤泥质软土层模型底端平均深度为35 m，由堆土后桩基轴力-深度曲线(见图3(b))可见，本文模型的模拟结果与文献[8]的结论基本一致。

为验证桥梁桩基弯矩变化与水平位移的关系，取该桥所有桩基变矩与水平位移作散点图(见图3(c))，可见桩身最大弯矩随侧向位移的变化曲线呈线性，该规律非常符合文献[2,4,13- 15]的结论。

综上可见，本文选取的桥梁-堆土-地基土模型和相关边界条件、相互作用设置合理，计算结果可靠，能较好地分析匝道桥桥侧大面积堆土后基础结构的内力、位移变化。

3.2 依托工程安全性评估

该桥桩基采用单排桩，单排布置两个桩，为方便比较桥梁不同结构的位移大小，规定桥梁曲线上任意一点的切线方向为顺桥向、法线方向为横桥向，将桥梁结构的位移拆分为水平上的顺桥向位移(U1)和横桥向位移(U2)以及竖直方向上的沉降(U3)。两端桥台不列入弯矩分析，仅比较1#-10#墩的结果，如图4所示，其中B表示主梁，IN表示内侧桩基，OUT表示外侧桩基，FZ为轴力，M1、M2分别为主梁弯距和基础弯距。

由图4(a)可见，匝道桥的顺桥向位移相对较小，1#墩内侧桩基处位移最大(达1.73 mm)，4#墩处位移几乎为0，堆载对匝道桥的影响体现为横桥向挤压，而匝道桥两端的桩均受到一定的顺桥向推力，产生一定位移，总体上位移大小由0#-11#台呈现出“大—小—大”的V字形变化趋势。由此可见，采用墩梁固结形式，在堆土水平推力作用下，桩基水平位移明显大于桥墩水平位移(图4(b)中的横桥向位移同理)，同时单排两根桩基与堆载距离不同，内侧桩基位移稍大于外侧。

图3 本文有限元模型的模拟结果

图4 匝道桥上部结构和墩台基础的受力及位移情况

由图4(b)可见：匝道桥的横桥向位移稍大，2#墩内侧附近堆土最高为7 m，最大横桥向位移达到峰值，位于2#墩内侧桩基处，达4 mm；11#台处堆土高度降为2 m，横桥向位移也下降，可见堆土高度越高，对附近桩基产生的水平推力越大，横桥向位移也越大。

由图4(c)可见：堆土高度越高，土体的下沉量越大，桩基的下沉量也越大，这与图4(b)横桥向位移的表现一致；沉降量在2#、3#墩之间达到峰值，最大沉降发生在3#墩内侧桩基处，达7.60 mm；桥墩下沉量介于两根桩下沉量之间，堆土侧桩基下沉量最大。可见桥侧大面积堆土后，匝道桥产生不均匀沉降，靠近堆载区域沉降值较大，桥梁整体趋向于往堆载处倾斜。

由图4(d)、4(e)可见，堆土前后匝道桥的主墩轴力和主梁弯矩变化较小(弯矩取绝对值，不论正负。因弯矩最大值发生在墩顶，跨中弯矩的绝对值相对较小，图中仅列出墩顶处弯矩)，其中2#墩轴力最大，堆土前后分别为3 131和3 134 kN，3#墩处主梁弯矩最大，堆土前后分别为4 622和4 694 kN·m。可见，堆载对匝道桥墩柱和上部结构的内力基本无影响。

由图4(f)、4(g)可见：匝道桥成桥状态下各桩基轴力和弯矩较为平均；堆载后最大基础轴力由2 079 kN增加至2 646 kN，增加27.3%；最大弯矩由130 kN·m增加至361 kN·m，增加177.7%，均位于3#墩处。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[17]，沿周边均匀配置纵向钢筋的圆形截面钢筋混凝土受压构件偏心受压时，正截面抗压承载力设计值为

(α-α1)fsdAs≥γ0Nd

(2)

正截面抗弯承载力设计值为

(3)

计算得到匝道桥桩基抗弯承载力设计值为5 180 kN·m，抗压承载力设计值为13 038 kN，而桩基模拟计算最大弯矩为361 kN·m，最大轴力为2 646 kN，匝道桥桩基内力均远小于极限承载力。

综上可见，桥侧大面积堆土使匝道桥整体结构产生一定的位移,桩基轴力和弯矩增大，但均小于规范允许值，匝道桥处于安全状态。

3.3 非对称堆载维度差异化分析

根据表2，设置4种工况(组2-组5)，分析堆载量对桥梁受力和位移的影响。

为分析堆土高度H的影响，执行组2工况，固定堆土宽度W为60 m，当堆土间距L取不同值(分别为20、40 m)且堆土高度H由10 m增加到25 m时，堆土对临近桩基位移的影响见图5(a)。从图中可见，填土高度对桩基的水平位移和沉降的影响均很明显，桩基位移随着H的增大而增大，该影响近乎是线性的，与文献[6，8]的结论一致。

为分析堆土宽度W的影响，执行组3工况，固定堆土高度H为8 m，当堆土间距L取不同值(分别为10、20 m)且堆土宽度W由20 m增加至60 m时，堆土对临近桩基位移的影响见图5(b)。从图中可见，堆土宽度的增加会导致临近桩基位移的增大，其中对桩基水平位移的影响显著，对沉降值的影响较小。

为分析堆土间距L的影响，执行组4工况，固定堆土高度H为8 m、堆土宽度W为30 m，当堆土间距L由10 m增加至40 m时，堆土对临近桩基位移的影响如图5(c)所示。从图中可知，堆土间距的增加会导致临近桩基位移的减小，其中对桩基沉降的影响显著，对水平位移的影响较小。该规律同时满足图5(a)、5(b)中组2和组3的模拟结果。

图5 匝道桥桩基的位移和受力随堆载规模大小的变化

对组4工况，因实际工程中堆土宽度W恒定较少出现，常见措施只清理桥梁一侧堆土，可视为W+L固定，清理桥侧堆土后L增大，W减小，故进行组5工况模拟，结果如图5(d)所示。从图中可知，同时增大堆载间距L、减小堆载宽度W，均会导致桩基水平位移的减小，相对组4结果，组5 桥梁桩基侧向位移降幅显著。

根据3.2节计算结果，匝道桥桩基的抗弯承载力、抗压承载力设计值分别为5 180 kN·m和13 038 kN，组2-组5各工况的基础弯矩和轴力均未超过规范允许值，如图5(e)所示。在位移方面，墩台沉降值和相邻墩台沉降差值均满足规范，而部分工况的桩基侧向位移超出规范允许值U=25 mm，如图5(a)、5(b)、5(d)所示。荷载是影响桩身内力和位移的根本因素，当堆土高度或宽度过大，堆土与桥梁的间距过小时，桩基承受的侧向压力越大，桩体轴力和弯矩也增大，最先达到极限状态的是桩基水平位移，导致匝道桥存在安全隐患，在实际工程中要注意控制堆载规模和与桥梁的间距。

3.4 不同结构形式桥梁大面积堆载下的安全性分析

建立2.4节墩梁固结式、半固结式和简支梁桥3种桥型模型，模拟分析非对称堆载后的变形差异。

为分析模型2和模型3在当前非对称堆载下的受荷情况，执行组6工况，伸缩缝处桥梁结构的位移情况见图6。从图中可见，在非对称堆载影响下，两片梁下支座产生方向相反的剪切变形，梁板间有明显颜色跳跃，表示伸缩缝的张拉造成桥梁上部结构的不连续变形。各支座和伸缩缝的详细变形如表3所示。

图6 桥梁梁板及伸缩缝的位移图

从表3可见：顺桥向变形率均在99%左右，全桥支座以顺桥向剪切变形为主，基本未发生横桥向错位变形；设置4道伸缩缝的模型2相对于设置10道伸缩缝的模型3，单个伸缩缝的变形量更大，但伸缩缝变形量总和较小(7.66 mm<8.41 mm)，说明设置数量较多的伸缩缝虽然有利于保护支座，但可能使桥梁整体变形量增大。李枝军等[12]提出了板式橡胶支座的滑动破坏参考标准，根据《公路桥梁板式橡胶支座》[11]，支座的剪切变形根据侧向位移大小和当前支座的橡胶层厚度的比值进行计算，以支座发生滑动摩擦为判断其失效的标准，一般地，对于受水平力作用的支座在上下表面达到最大静摩擦力时，剪切变形为80%～100%。由表3可知，模型2和模型3中的支座剪切变形量均在安全范围内，且远小于极限值。

表3 两个匝道桥模型中的支座和伸缩缝的变形情况

为校核3个匝道桥模型在极端非对称堆载条件下的安全性，执行组7工况，选取使模型1最大基础水平位移达到规范允许值25 mm的工况(H=8 m，W=60 m，L=10 m)为参考，对半固结模型2和简支模型3进行模拟，部分位移和内力模拟结果如图7所示。

从图7(a)可见：在较大非对称堆载影响下，墩梁固结桥梁(模型1)桩基存在不等侧向位移，起点位移较大，2#墩侧向位移最大达25 mm，终点侧桩基位移相对较小；对于设置伸缩缝的模型2和模型3，桩基侧向位移稍微增大，且曲线更加平缓，各墩台下桩基横向水平位移趋于平均。

由图7(b)可见，对于上部结构位移情况，模型2和模型3相对模型1均有显著的提升，即设置伸缩缝，可使桥梁上部结构在非对称荷载下产生更大的位移。

由图7(c)可见，3种模型相同位置桩基的最大弯矩大小相近，表明上部结构和支座设计的变更对匝道桥墩台基础的影响较小。

图7 3个匝道桥模型的受力及位移情况

经校核，组7各工况支座变形量均在失效临界值内，不再赘述。

综合上述可知：对于半固结和简支梁桥，墩台基础内力的变化较小；在模型1内侧桩基最大侧向位移达到极限值U=25 mm的情况下，模型2和模型3的位移略微增加，其中模型3的2#墩内侧桩基水平位移超出规范允许值1.5 mm，存在安全隐患；增设伸缩缝和支座，可致使上部结构的位移显著增加，但仍小于基础结构位移，上部结构安全。

4 结论

大面积堆土破坏了地基土平衡状态，引起不均匀沉降和水平位移，致使桥梁桩基竖向荷载增加、挠曲变形增大，造成安全隐患。文中利用有限元软件ABAQUS建立桥梁-地基土-堆载土的计算模型，选取不同桥梁结构形式、堆土维度等变量建立多组研究工况，模拟分析了堆载土的挤土效应、地基土层的变形、桥梁的桩土耦合关系以及桥梁整体结构的位移和内力变化过程；探讨了堆土维度差异对桥梁结构的影响；最后对比分析了不同桥梁结构形式非对称堆载下的安全状态。结果表明：

(1)桥侧堆土后，匝道桥基础弯矩相较成桥状态增加177.7%，基础轴力增加27.3%，主墩及上部结构内力无明显变化，处于安全状态；

(2)堆土规模增大到极限状态时，该桥可能因桩基水平位移过大而破坏，清理桥侧堆土可大幅降低墩台基础水平位移，确保桥梁安全；

(3)堆土规模、位置以及桥梁形式均对桥梁结构安全产生影响，堆土高度、宽度越大，间距越小，桥梁结构变形和内力越大；

(4)墩梁固结对限制桥梁上部结构位移有较大的作用；

(5)进行桥梁安全评价时，应结合桥梁结构、线形、地基土、堆土等因素进行综合分析。