海堤施工对临近桥墩影响数值模拟研究

2017-05-30刘烽王晓波

科技尚品 2017年5期

刘烽王晓波

摘要：基于ABAQUS有限元软件对某堤穿越甬台温高速公路进行了研究，研究结果表明：海堤完工15年后交叉段典型断面的最大顺桥向位移-80.87cm，最大横桥向位移-38.94cm，最大沉降382.2cm；两主桥墩中围区侧主桥墩受海堤施工的影响最大，在海堤施工结束时顺桥向位移25.56cm，横桥向位移-10.68cm，沉降3.49cm。两引桥墩中也是围区侧引桥墩受海堤施工的影响最大，海堤施工结束时顺桥向位移-26.14cm，横桥向位移-8.47cm，沉降0.74cm。

关键词：海堤；桥墩；基桩；有限元数值模拟

0 引言

某堤防位于软土地基上，当高速公路桥梁与堤防交叉，且施工期较为接近时，地基的固结沉降及土体侧向位移会对桥台桩基产生较大影响。众所周知，桥桩应力和位移与地基土固结程度、路基填筑速率、软土流变有密切的联系。国内外学者针对交叉工程中后建结构物对既有结构物的影响已做了较多研究，如：裴广超，李金洋，李艳龙针对海堤与高架桥交叉且工期接近的情况，建立了复合桩基模型，研究交叉段沉降对海堤、桥梁桥墩变位的影响，给出建议复合桩基长度，为沿海交通建设和围垦海堤的建设提供参考。李惠玲基于某沿江高速公路桥桩工程，对抛石海堤进行多种不同形式的软基处理，对比其基本结构型式及技术特点，确定了拟建海堤的结构型式；并基于有限差分软件对拟建海堤对高速公路桥墩的影响进行数值模拟。严盛强以能量法和驻值定理为基础，对刚性基础高桥桥墩墩顶位移进行了深入分析，得到了计算墩顶位移的公式。彭良泉，李盛青采用有限元方法分析了某新建堤防施工过程中引桥的安全性，结果表明，在新建堤防荷载作用下，桥桩竖向位移和水平位移满足规范要求，无需进行额外处理。朱文兵揭示深厚软土地段桩身压缩变形随荷载、时间的发展规律。编制了桥梁桩基沉降变形观测方案，推导了多级荷载作用下多层弹性地基的有效应力、沉降变形计算公式。张溥洋[6]以能量法原理为基础，推导出高桥墩墩顶水平位移的能量法公式，提出了计算墩顶水平位移的实用公式。并对比不同参数对墩顶水平位移的影响，提出有效控制墩顶水平位移的方法。

因此，本文结合某一高速公路桥跨域某岸堤的工程实例，研究了岸堤填土荷载的后期固结变形必然对桥梁桥墩产生的不利影响，讨论了高速公路桥梁方案的可行性及安全性，提出相应的处理措施。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

某工程，软土层深厚，淤泥质粘土超过60m厚。瓯飞堤先期施工，但如此厚的淤泥层在施工完成后很长一段时间内仍会产生固结变形，这就必然对横跨大堤的桥梁桥墩产生影响，增加桥梁桥墩桩基的侧向位移，这种位移可能对桩基不利，从而影响桥梁的正常运行与安全。甬台温高速公路桥梁与瓯飞堤交叉段设计图如图1所示。

1.2 各主要工程地质层特征

淤泥（Q42m），黃灰色，流塑，切面稍光滑，无层理，夹有砂，韧性中等，干强度中等；淤泥质黏土（Q41m），灰色，流塑，具细密鳞片状构造，见黑色有机质及腐植物碎屑，土质较均一；黏土（Q32m），灰色，软塑状，具鳞片状构造，含少量贝壳碎屑，钙质结核，含少量贝壳，局部含少量粉细砂；卵石（Q32al），灰色，饱和，密实，卵石含量约占60%，粒径为2～4cm，个别粒径大于6cm，亚圆状，圆砾约占20%，其余为砂和黏性土充填；卵石（Q31al），杂色，饱和，密实，成份主要以卵石为主，卵石约占50%～60%，粒径20～40mm，最大粒径达80mm，见少量圆砾，含量约10%，粒径约10～20mm，呈次圆状，少量黏粉粒充填。

2 三维数值模型的建立

2.1 三维数值模型的建立

本文对初步设计方案，按照设计尺寸及地质资料建立了包括瓯飞堤、桥墩、桩基及地基在内的大规模三维有限元模型。有限元模型考虑了地基、桥桩等材料分区，及施工工序，模型能充分反映工程结构特点和地质构造，以及结构与地基环境介质间的相互作用，可以反映结构和地基的非线性。有限元模型共划分320158个结点，312835个单元，较为客观、准确地拟了桥墩、承台、桥桩与海堤、桩基的结构特点及地基的地质构造特征。

有限元模型X轴方向为垂直海堤指向背水侧，宽度取425m，Y轴方向为沿海堤走向，长度取1200m，Z轴方向竖直向上，地基深度取195m，主桥墩桩基群由19根桥桩构成，边墩桩基群由12根桥桩构成。主桥墩桩基长91m，边墩桩基长度86m，海堤宽度176m。对初步设计方案，Y轴计算范围取包括交叉段在内沿海堤走向600m范围，对后续优化设计方案，计算范围取海堤走向1200m范围。三维有限元网格模型如图2所示。

2.2 本构模型及计算参数选取

外海侧采用抛石填筑，围区侧采用闭气土方施工，塑料排水板设于海堤抛石区下方土层，宽度100m，深度24m，外海侧和围区侧子堤采用抛石填筑。地基土材料分区在地质钻孔资料的基础上做了一定的简化，地基土共分五层，分别为淤泥质土层①，淤泥质粘土层②，粘土层，砂卵石层①，砂卵石层②，土层深度依次为5m、33m、24m、21m、112m。橋梁主桥桩长91m，引桥桩长86m，桥梁墩台高13m。在桥墩附近设54m深的双排抗滑桩用于抵抗海堤填土对桥梁桩基的挤压，抛石区海堤地基下方设100m宽24m深的塑料排水板加快地基土体排水固结，减小海堤完工后的沉降和地基固结变形。塑料排水板强度参数取相应土层的土体参数，渗透系数初步取为相应土层20倍，用于模拟考虑排水板加速排水的效果。三维非线性有限元计算采用的土体基本力学参数及邓肯-张E-v模型参数列于表1，弹性材料参数列于表2中。

设计方案模拟高速公路桥梁与瓯飞堤交叉施工时，按19级荷载分析步进行三维有限元计算。第1、2级荷载分析步为基岩和覆盖层初始地应力及初始孔压消散的模拟，3～8级荷载分析步为海堤的分层填筑及每层填筑的间歇，第9级荷载分析步模拟桥梁桩基承台及桥墩的施工，10～16级荷载分析步为桥体上部结构架设及交叉段600m范围外海堤的施工，第17～19级为海堤施工完成后的固结计算，固结时间取15年。

3 计算结果与分析

由于高速公路桥梁与瓯飞堤为斜交形式，高速公路桥梁结构设计中主要关心顺桥向和横桥向水平位移及沉降，因此，对桥—堤交汇中桥梁的有限元计算结果进行了坐标转换。转换后的X向为沿桥梁走向指向围区侧（以下用U1表示），转换后的Y向为垂直桥梁走向方向（以下用U2表示），Z向（以下用U3表示）保持竖直方向不变。有限元模型的两套坐标系可分别用于研究海堤稳定性和高速公路桥梁变位情况。

3.1 墩顶位移及桥桩位移计算结果

表3给出了设计方案高速公路桥梁与瓯飞堤叠交情况下桥桩及墩顶位移极值，其中，墩顶位移取桥墩顶面中心点的位移，桩顶位移取桩基中心桩顶面中心点的位移。高速公路桥梁主桥墩墩顶水平变位示意图如图3所示。

由表可知，外海侧主桥墩（即主桥墩-1，下同）在桥体施工结束时顺桥向位移-5.81cm，横桥向位移2.34cm；在海堤施工结束时顺桥向位移-19.67cm，横桥向位移达到9.12cm；海堤完工15年后顺桥向位移改变0.61cm，方向为指向两主桥墩内侧。外海侧主桥墩在桥体架设完成时沉降2.72cm，海堤完工15年后沉降3.09cm，15年内产生固结沉降0.37cm。

围区侧主桥墩（即主桥墩-2，下同）在桥体施工结束时顺桥向位移10.44cm，横桥向位移-3.57cm；海堤施工结束时顺桥向位移25.56cm，横桥向位移-10.68cm；海堤完工15年后顺桥向位移改变-1.50cm，方向为指向两主桥墩内侧。围区侧主桥墩在桥体架设完成时沉降2.84cm，15年后沉降3.60cm，15年内产生固结沉降0.76cm。

海堤填筑过程中，地基软土层受到堤身自重的作用，土体产生水平位移，对主桥桩产生水平推力，导致两主桥桩产生了向两主桥墩外侧方向的水平位移，海堤施工结束时桥桩及墩顶位移达到最大。由于海堤抛填过程中的孔隙水来不及完全排出，海堤分层填筑的间歇期以及海堤施工完成后的时期内，地基土孔隙水在塑料排水板等的作用下排出，海堤下方两主桥墩之间地基土孔隙比减小，填筑过程产生的超静孔压逐渐消散，表现为间歇期内桥墩及桥桩产生了向桥梁两主桥墩内侧的变位情况。

需要指出的是，實际工程中可能会出现堆载作用下桥梁产生持续变形的情况，而并没有产生回缩的现象，这应当归结于软土的蠕变特性，即在孔压完全消散并且应力没有增加的情况下变形持续增长。本文目前的计算方案尚未考虑蠕变的因素。

3.2 桥桩中心桩位移沿桩身分布规律

设计方案桥桩中心桩中心点的位移在桥体上部结构架设结束以及海堤完工15年后沿桩身分布规律如图5所示。

图4中可以看出，海堤的填筑对主桥桩的影响变现为：填土压重使得桥桩产生了沿桥梁轴线以及垂直于桥梁轴线指向海堤外侧的变位，在海堤自重作用下主桥桩产生固结压缩沉降。

4 结论与建议

本文对高速公路桥梁与瓯飞堤分别按各自设计进度施工的设计方案进行三维固结有限元模拟计算，研究海堤和桥梁结构以及地基的应力变形情况，评价了方案的可行性与安全性。

（1）三维有限元固结计算结果显示，海堤完工15年后交叉段典型断面的最大顺桥向位移-80.87cm，最大横桥向位移-38.94cm，最大沉降382.2cm。

（2）桥梁墩顶位移过大，桥桩的拉应力也较大，因此需研究减轻桥梁位移的方法，提出可能的优化设计方案。

参考文献

[1]孙秀玲，马惠群，项传慧，等.拟建跨河桥梁对河道堤防的影响分析[J].山东大学学报（工学版），2006，36（4）：44-47.

[2]黄清.地面堆载对既有桥梁结构的影响分析[J].桥梁建设，2014，44（5）：39-44.

[3]严盛强.刚性基础高桥墩墩顶位移分析[D].广西工学院，2010.