汤家湖大桥下弃土对桥墩稳定性影响的研究--中国期刊网

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汤家湖大桥下弃土对桥墩稳定性影响的研究

发表时间：2021/6/16 来源：《建筑科技》2021年5月下作者：毛亮明

[导读] 本文仅对受弃土影响的长沙市郊区跨京广铁路的汤家湖大桥1#~5#桥墩桩基进行稳定性研究。主要研究桥下弃土范围内大面积堆载的顶部高程、桥下货场道路的活载对桥墩桩基础的附加影响，以确定汤家湖大桥大里程方向桥墩右侧局部堆载位置，并根据研究结果提出处理意见。

湖南长沙工程建设指挥部毛亮明 410007

摘要：本文仅对受弃土影响的长沙市郊区跨京广铁路的汤家湖大桥1#~5#桥墩桩基进行稳定性研究。主要研究桥下弃土范围内大面积堆载的顶部高程、桥下货场道路的活载对桥墩桩基础的附加影响，以确定汤家湖大桥大里程方向桥墩右侧局部堆载位置，并根据研究结果提出处理意见。
关键字：桥墩；稳定性；弃土
        1. 研究依据   1.1 国家有关法律、法规，国家、铁道部有关技术政策。
        1.2 评估采用的主要规范标准：《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)；《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)；《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)；《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63-2007)；《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）；《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3-2005）；《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB10002.5-2005）；其他规范和标准。
        2. 研究范围与目的
        2.1 研究范围
        霞凝货场扩建工程汤家湖大桥以北和粮食专用线之间的铁路用地范围弃土堆1#~5#桥墩基础影响的安全稳定性研究，对桥下弃土范围内大面积堆载顶部高程、桥下货场路活载对桥墩桩基础的影响及其大里程方向右侧局部堆载位置的确定，并提出建议意见。
        2.2 研究目的
        根据霞凝货场扩建工程调整土方调配方案，需在汤家湖大桥以北和粮食专用线之间的铁路用地范围弃土，由于在该处弃土量较大，堆土高度较高，可能影响到汤家湖大桥1#~5#墩基础安全。本研究的主要目的是确保弃土堆对桥墩桩基的影响在安全范围内，且桥墩桩基能够正常履行其功能，并对可能危害桥墩桩基正常使用的弃土方案给出建议意见。
        3. 工程概述
        3.1 汤家湖大桥概况
        汤家湖大桥即汤家湖路跨京广铁路立交桥，自西南向东北分别与预留货物线、设计站内联络线、既有电厂专用线、设计电厂专用线、既有京广上行正线、设计京广下行正线、既有京广下行正线、预留长浏下行正线等铁路及规划铁路呈立体交叉。全桥上部采用（3×45+3×45+3×45）m装配式预应力混凝土预制简支T梁，下部桥墩采用桩柱式墩，墩身采用3根直径1.5m混凝土圆柱墩，柱间净距4.5m，基础采用直径1.6m钻孔灌注桩，桩对柱结构形式，按嵌岩桩设计，该桥已通车。
        3.2 地质情况
        该场地从上而下地层情况分别为: 素填土①（Q4ml）褐黑色，湿，粘性土成分为主，软可塑状，松散状，具高压缩性，工程性状差，堆填时间较短，5年左右，厚度1.20－4.50m。
        3.2.1 耕植土②（Q4pd）褐灰色、褐黄色，可塑状，含植物根茎、砂砾石等，具高压缩性，工程性状差。厚度0.40－0.60m。
        3.2.2 粉质粘土③（Q2al）褐黄色，硬塑状，含黑色铁锰质氧化物。干强度中等，韧性中等。厚度1.20－7.80m。
        3.2.3 砾质粘性土④（Qel）硬塑－坚硬，局部软—可塑状，中等干强度，中等韧性。含30—40%、粗粒石英、长石，混较多黑色云母，为花岗岩残积土。厚度1.0--1.2m。
        3.2.4 强风化花岗岩⑤（r52）软岩，含黑云母及少许角闪石，中、粗粒结构，块状构造。节理裂隙极为发育，钻进时通常漏水。岩芯破碎，多呈碎块状，少许短柱状或长柱状，锤击易碎。岩石质量指标RQD＝35－60，为差的～较差的。岩体基本质量等级为Ⅴ类。厚度0.80－7.30m。
        3.2.5 中风化花岗岩⑥（r52）肉红、灰白、黄色，较软岩，含黑云母，岩性同强风化花岗岩，节理裂隙发育，局部见少量角闪石。岩芯较完整，多为长柱状、短柱状，少量块状，锤击声脆且不易碎。岩石质量指标RQD＝60－75，为较差的～较好的，岩体基本质量等级为Ⅳ类。厚度12.10－41.70m。
        3.2.6 微风化花岗岩⑦（r52）坚硬岩，含黑云母，中细粒或中粗粒结构，块状构造。见少许风化裂隙，岩芯断面较清晰，但长石矿物有明显的风化迹象，岩芯完整，为长柱状、短柱状，锤击难碎。岩石质量指标RQD＝85左右，为较好的。岩体基本质量等级为Ⅰ类。
        3.3 桥墩情况
        汤家湖大桥以北和粮食专用线之间的铁路用地范围弃土，汤家湖大桥受其影响的桥墩基础为1#～5#，桥墩墩高从10m至15m不等，基础均采用φ1.6m的钻孔灌注桩基础，均设计为嵌岩桩，桩长除1#墩桩基础为18.2m外，其余均为16.2m。
        4. 研究内容
        根据霞凝货场扩建工程调整土方调配方案，需在汤家湖大桥以北和粮食专用线之间的铁路用地范围弃土，由于在该处土方量较大，堆土高度较高，可能影响到汤家湖大桥1#~5#墩及其基础安全，需对桥下弃土范围内整体填平高程、桥梁大里程方向右侧局部弃土场位置的确定提出完善建议，并对桥下货场道路活载对桩基础的影响进行安全研究。根据原汤家湖大桥设计情况及其现弃土情况建立模型计算分析大面积堆载、局部堆载及其货场道路活载对桥墩桩基产生的附加影响，并根据分析结果提出建议和对策。
        4.1模型
        采用Midas-GTS有限元软件分析大面积堆载、局部堆载及其货场道路活载对桥墩桩基产生的附加影响。墩、基础模型采用1d梁单元模拟，土体采用3d实体单元模拟，土层本构模型采用摩尔-库伦准则，桥墩、钻孔桩认为在受力过程中仅发生弹性变形。模型考虑大面积堆载对桥墩基础产生的附加位移影响和对桩基础承载力及其内力的影响，考虑货场道路活载对邻近桩基础的附加位移影响和内力的影响，通过分析局部堆载对邻近桩基位移及其内力的影响，确定出局部堆载距桥墩桩基的合适距离。
根据地质资料和实测地面高度与预设填土顶面标高(高程为+38.0)，对1#~5#桥墩基础进行计算，局部堆载高度按4.0m考虑，桩基础为嵌岩桩，最小单桩设计承载力为27900KN。
        4.2荷载
        4.2.1 桥梁本身的受力荷载(包括结构自重，汽车荷载等)，加载在桩基础上。
        4.2.2 局部堆载的自重，模型按局部堆载高度4.0m考虑，加载在桥梁公路大里程方向左侧，取距桩基横桥向最小水平距离分别为4m、12m、20m和30m进行分析对比，然后给出局部堆载位置的建议。
        4.2.3 货场道路汽车荷载，换算为均布荷载20KN/m2作用在道路上，作为活载考虑（考虑最不利，活载按在桥单侧加载）。
        4.3 结果分析
        4.3.1 大面积堆载（预设填土顶高度+38.0）对桥墩基础产生的附加位移影响和对桩基础承载力及其内力的影响。
        （1）大面积堆载对桥墩基础产生的附加位移影响
        根据模型计算结果，大面积堆载对桩基各方向附加位移影响，在大面积堆载情况下，桩基顺桥向最大位移为5.3mm，横侨向最大位移为1.8mm，竖向最大位移为2.2mm。由此可见，大面积堆载（预设填土顶高度+38.0）对桩基位移的影响较小。
        （2）大面积堆载对桥墩基础承载力的影响
        根据模型计算结果，大面积堆载对桩基承载力影响，受大面积堆载的影响，在粉质粘土层和砾质粘土层，土的沉降大于桩基的竖向沉降，产生负摩阻力。受大面积堆载的影响，桩身最大轴力由原来的10536.4KN增加到16826.2KN，又因本桥桩基均为嵌岩桩，单桩承载力最小为27900KN，虽然受大面积堆载，桩身的竖向力产生了较大的变化，但是桩身承载力仍满足要求。
        （3）大面积堆载对桥墩基础内力的影响
        根据模型计算结果，大面积堆载后，桩基内力分布，详见下表：

        桩基的直径均为1.6m，钢筋为HRB335，布置30φ25mm，根据上图表桩身内力值，经过分析计算可知，混凝土受到的最大压应力为8.4MPa，混凝土容许压应力为10.0Mpa；钢筋最大应力为125.4Mpa，钢筋设计强度为280.0Mpa；均小于允许值，桩身强度均满足受力要求。综上，大面积堆载对桥墩基础的影响均在安全范围内。
        4.3.2 货场道路活载对邻近桩基础的附加位移影响和内力的影响。
        （1）货场道路活载对邻近桩基础的附加位移影响
        根据模型计算结果，货场道路活载对邻近桩基础的顺桥向和横桥向附加位移影响，在货场道路活载影响下，桩基顺桥向最大附加位移为2.7mm，横桥向最大附加位移为0.4mm。由此可见，货场路活载对桩基位移的影响较小。
        （2）货场道路活载对桥墩基础内力的影响
        根据模型计算结果，货场道路活载对桩基内力分布影响，在货场路活载影响下，主要是2#墩桩基础额外产生顺桥向剪力188KN，弯矩475KN。因为该墩原设计上支座均为活动支座，因此该墩桩基础弯矩剪力均很少。因此，货场道路活载对该桥桩基的内力影响在安全范围内。综上，货场道路活载对该桥的影响在安全范围内。
        4.3.3 局部堆载对邻近桩基位移及其内力的影响。
        局部堆载的自重，模型按局部堆载高度4.0m考虑，加载在桥梁公路大里程方向左侧，取距桩基最小水平距离分别为4m、12m、20m和30m进行分析对比，分别提出局部堆载在4m、12m、20m和30m距离下的桩基横桥向位移、横桥向剪力和横桥向弯矩附加值结果，并进行分析。
        （1）局部堆载在4m、12m、20m和30m距离下的桩基横桥向位移附加值
        在局部堆载距桩基水平位移分别为4m、12m、20m、30m时，桩基横桥向附加最大位移分别为15.9mm、11.0mm、6.5mm、4.0mm；可见，距离越大，局部堆载对桩的位移影响越小，而且影响速率随着距离增加减小。
        （2）局部堆载在4m、12m、20m和30m距离下的桩基横桥向剪力附加值
        在局部堆载距桩基水平位移分别为4m、12m、20m、30m时，桩基横桥向附加最大剪力分别为1051.2KN、729.1KN、420.7KN、232.5KN；可见，距离越大，局部堆载对桩的横桥向剪力影响越小，而且影响速率随着距离增加减小。
        （3）局部堆载在4m、12m、20m和30m距离下的桩基横桥向弯矩附加值
        在局部堆载距桩基水平位移分别为4m、12m、20m、30m时，桩基横桥向附加最大弯矩分别为2680.7KNm、1836.6KNm、1187.9KNm、773.9KNm；可见，距离越大，局部堆载对桩的横桥向弯矩影响越小，而且影响速率随着距离增加减小。
        综上（1）（2）（3），局部堆载应离桩基越远越好，当然，因为随着距离的增加，堆载对桩基位移内力等的影响速率减少，因空间有限，为最大限度的增加局部堆载范围，这里建议局部堆载距桩基最小距离为对桩基影响很小的30m。
        5. 研究结论
        通过对汤家湖大桥以北和粮食专用线之间的铁路用地范围大面积堆载、货场道路活载和局部堆载对1#~5#桥墩基础影响的分析，认为在桥下弃土范围内大面积堆载（顶部高程+38.0），对桥墩桩基影响在安全范围内，桥下货场道路活载对桩基础的影响在安全范围内，桥梁大里程方向右侧局部堆载应距桥墩基础最小距离30m。为了保证铁路运营和桥梁设施的安全，提出以下几点结论和建议：
        5.1 经核查，经大面积堆载后，既有公路桥基础承载力及其受力仍能满足要求。
        5.2 在设计的货场道路布置上，活载对公路桥桩基的影响在安全范围内;为确保桥下墩梁安全，应在2#墩货场路之间设置防撞墙，并在桥的两侧设置限高架。
        5.3 大面积堆载施工时应从桥墩处向两侧分层对称施工，双侧加载的材料、每层加载的厚度、数量、碾压工具等应控制一致。同时，严禁大面积快速填筑，应分层填筑压实，建议分层厚度不大于0.3m。
        5.4 施工过程应对公路桥墩进行适当的防护，以免施工机械设备碰撞铁路桥墩，造成结构损伤。
        5.5 桥梁大里程方向右侧局部堆载应距桥墩基础最小距离为30m。在条件允许的情况下，尽量增加局部堆载与桥墩之间的距离。
参考文献
［1］中华人民共和国住房和城乡建设部．ＧＢ５１０１８－２０１４水土保持工程设计规范［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２０１５。
［2］郑宏，刘德富，罗先启．基于变形分析的边坡潜在滑面的确定［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００４（５）：７０９－７１６。
［3］王肇慧，肖盛燮，刘文方．边坡稳定性计算方法的对比分析［Ｊ］．重庆交通学院学报，２００５（６）：９９－１０３。