（岩土工程专业论文）软土地基桥台稳定控制及现场监测技术研究.pdf

摘要 对于修建在深厚软土地基上的桥台，如果台后路基填土较高，桥 头下卧软土层将在上覆路堤荷载作用下产生侧向塑流和固结，若处理 不当，会对桥台稳定产生非常不利的影响，如使桥跨距减小，无法架 梁，甚至在施工或运营中使桥台严重变形、桩基折断等。 本文对位于深厚软土地基上的温福铁路对务山特大桥温州桥台 在施工阶段进行现场监测，并且结合理论分析，进行了高填路堤下深 层软土地区桥台稳定性研究： ( 1 ) 根据国内外文献资料，总结了目前桥头路基填筑对软基桥台 稳定影响的现场试验、室内试验和数值计算等诸多研究方面已经取得 的成果。 ( 2 ) 分析了软土地基桥台台后路基填筑对桥台稳定的影响，探讨 了台后路基填土引起软土变形对桥台桩产生的侧向压力和负摩阻力 的计算方法，并对这些计算方法进行分析比较。 ( 3 ) 分析了软土地基桥台病害的原因及表现形式，归纳了软土地 基桥台稳定的关键影响因素，总结了软土地基桥台的稳定控制措施。 ( 4 ) 开展了对务山特大桥温州桥台施工阶段监测，整理和分析了 已经取得的初步监测成果。 ( 5 ) 采用大型通用有限元软件a d i n a 对在台后路基堆载作用下软 基桥台桩基的性状进行三维分析，获得了桩基受台后路基填筑影响的 变形规律。 关键词：软土地基，桥台，稳定控制，现场监测，有限元法 a b s t r a c t m e nt h ea b u t m e n ti sb u i l t0 1 1d e e ps o f tg r o u n d s o f ts o i l h o r i z o n t a l m o v e m e n ta n dc o n s o l i d a t i o nw i l lt a k ep l a c eu n d e rt h ep r e s s u r eo ft h eh i g h e m b a n k m e n tb e h i n dt h ea b u t m e n t ，w h i c hc a nw e a k e nt h ea b u t m e n t s t a b i l i z a t i o na n db i n gi tv a r i o u sd i s e a s e si fe f f e c t i v em e a s u r e sf a 订t ob e t a k e n ，s u c ha st h eg i r d e rc a l lb en o tf i x e d ，t h ea b u t m e n td e f o r mb a d l y , a n d p i l e sa r eb r o k e ni nt h ec o u r s eo fc o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n t b a s e do nm o n i t o r i n gt h e 臃n z h o ua b u t m e n to ft h ed u i w u s h a n b r i d g eo fw e n z h o u - f u z h o ur a i l w a yd u d n gi t sc o n s t r u c t i n g ，t h ep a p e r c a r r y st h r o u g ht h er e s e a r c ho ns t a b i l i z a t i o no ft h ea b u t m e n to nd e e ps o f t g r o u n da n du n d e rh i 曲e m b a n k m e n ta sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt or e l a t i o n a ll i t e r a t u r e s ，t h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n o fe m b a n k m e n tl a t e r a le f f e c t so nt h ep i l e db r i d g ea b u t m e n to ns o f tc l a yi s a n a l y z e d t h ef i e l dm o n i t o r i n gr e s u l t sa n dc e n t r i f u g em o d e lt e s t so ft h e p i l e db r i d g ea b u t m e n to ns o f tg r o u n d ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h e s o i l p i l ei n t e r a c t i o na n dv a r i o u sc o m p u t a t i o nt e c h n i q u e so ft h el a t e r a l e a r t hp r e s s u r ea c t i n go nt h ep i l e sf r o mh o r i z o n t a ls o i lm o v e m e n t sa r e s u m m a r i z e d ( 2 ) t h ea s p e c t s o ft h e h i 曲- f i l l i n g e m b a n k m e n ta c t i o nf o rt h e a b u t m e n ts t a b i l i z a t i o na r es u m m a r i z e d ，t h em e t h o d so ft h ea d d i t i o n a l h o r i z o n t a ls o i lp r e s s u r ea n dt h en e g a t i v ef r i c t i o no nt h ea b u t m e n t p i l e sa r e d i s c u s s e da n dc o m p a r e d ( 3 ) t h ec a u s e sa n df o r m so ft h ea b u t m e n td i s e a s e sa r ea n a l y s e d ，t h e k e y e f f e c tf a c t o r sa n dt h ec o n t r o lm e a s u r e so ft h ea b u t m e n ts t a b i l i z a t i o n a les u m m a r i z e db yt h en u m b e r s ( 4 ) t h ed u i w u s h a nb r i d g e w e n z h o ua b u t m e n tf i e l dm o n i t o r i n ga r e c a r r i e do u t t h em o n i t o r i n gf r u i ti sa n a l y s e d ( 5 ) at h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta p p r o a c hi sd e s c r i b e df o r a n a l y s i so fp i l eg r o u p si n f l u e n c e db yl a t e r a ls o i lm o v e m e n t sf r o mt h e a p p r o a c he m b a n k m e n t ，w h i c hc o n c l u d e ss o m er u l e sa b o u tt h ea b u t m e n t p i l e si nt h es o f ts o i l k e yw o r d s ：s o f ts o l lf o u n d a t i o n ，a b u t m e n t ，s t a b i l i z a t i o nc o n t r o l ， f i e l dm o n i t o r i n g ，f i n i t ee l e m e n ta p p r o a c h i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地 方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名：筵丝叁 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文j 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规 定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 作者签名：垒熊导师签名：幽日期：珥年三月立日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 作为桥梁的重要组成部分，桥台起着支撑桥跨结构和衔接桥跨与路基的作 用，它不仅要承受桥跨传来的荷载及自重，而且还要承受台背填土的土压力及填 土上车辆荷载产生的附加土压力。桥台可分为重力式桥台、轻型桥台、框架式桥 台、组合桥台、承拉桥台等几种类型。桥台应具有足够的强度、刚度和稳定性， 对桥台地基的承载力、沉降量、地基与基础之间的摩阻力等都有一定的设计要求， 以避免在荷载作用下桥台发生过大的水平位移、转动或沉降而影响桥跨的正常使 用【l 】。但是对于修建在软土地基上的桥台，如果软土层较厚，再加上台后路基填 土较高，设计时即使考虑了上述一般桥台的设计要求，桥头软土将在上覆路堤荷 载作用下侧向变形和固结，对桥台稳定产生不利的影响，容易使桥台在修建和使 用过程中产生各种病害，主要病害有： ( 1 ) 软土层产生塑性流动而挤压桥台下部基桩，使桩挠曲甚至断裂【2 1 ； ( 2 ) 使桥台产生前移，过大的桥台前移将造成支座、伸缩装置、背墙或梁局 部受压变形甚至破坏；如果是正在施工中的桥，桥台前移将造成跨距缩短而无法 安装大梁。一旦发生了桥台前移，即使清除台背填土，位移也不能恢复； ( 3 ) 软土层在固结过程中会使桥台桩基受到负摩擦而下沉，使桩基产生不均 匀沉降，造成桥台倾斜或扭转； ( 4 ) 桥台地基软土层承载力不足时，还有可能造成地基的失稳破坏，进一步 造成上部桥台倾斜和滑移； ( 5 ) 桥台上部结构易产生裂缝、剥落、空洞等各种病害。 据相关报道：连云港新墟路排淡河桥桥头软基滑移把桥台桩挤斜，使桩报废 重打：蔷薇河老桥东桥台前移，跨径缩小后，原设计t 梁无法架设，只得为边 孔专门制做短了十几厘米的t 梁；广东省江门市大洞桥和六村桥等七座桥梁， 桥台产生向河侧的位移，使伸缩缝出现拥包、开裂和堵塞现象，其功能基本失效； 国道2 0 6 线k 2 3 2 7 + 1 7 6 处软土地基上的一座薄壁式桥台，当桥面板浇筑完成后 随即进行台后填土，在填土高度接近5 米时，桥台向河中心倾斜1 4 5 米，其相 邻桥墩也发生严重倾斜【3 】；马来西亚软土地基上某桥台，距离桥台2 5 m 的路基在 填土达到3 m 高时发生了深层滑动破坏，使桥台发生倾斜，桥台与桥墩之间的桥 面出现大约3 0 0 m m 的裂缝【4 】；广东西部沿海高速公路三标段位于软土地基上的8 座中小桥桥台，均不同程度出现裂缝和超过允许范围的位移，不得不花大量的资 金和时间进行加固，有些甚至拆除重建【s 】。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 由以上所列事例可以看出，软土地基桥台受软土土体结构的不稳定性影响， 容易产生各种病害，从而造成巨大的经济损失，甚至严重威胁人民的生命安全。 而软土在我国沿海、河流的中下游及湖泊地区广为分布，随着我国基础建设和交 通运输事业的蓬勃发展，在软土地区兴建公路、铁路日益增多，那么在软土地区 修建桥梁必不可免，所以对软土地基桥台稳定性研究显得至关重要。 温福铁路是我国“八纵八横”铁路骨干网的第八纵通道，位于浙江和福建两省 交界的浙南和闽东沿海地区。温福铁路大部分线路走行在滨海滩涂上，跨过纵横 交错的入海河流三角洲地段，且大部分处于受海潮影响的感潮河段内，受台风影 响严重。所越滨海滩涂一般属于滨海相、溺谷相、泻湖相等的沉积，软土地段多， 厚度大都在3 0 4 0m ，天然含水量在7 0 左右，工程地质条件极差【6 】，因此铁 路路线越过大部分深厚软土地区均采用以桥代路的方式，这样温福铁路部分桥台 就位于厚达3 0 到4 0 m 的软土层上，且台后填土较高，在类似地区既有铁路桥梁 工程中已经出现了桥台病害。为了确保桥台及其下部结构安全，不仅需要设计方 面采取可靠的措施，还要有合理的施工工艺措施，同时由于现行规范中没有明确 提出软土地基塑流对桥台产生的附加水平力的计算方法和施工要求，因此必须在 施工中对桥台进行现场监测，以确保桥台稳定。 本文针对上述问题，对位于深厚软土地基上的温福铁路对务山特大桥温州桥 台在施工阶段开展现场监测工作，并且结合理论分析，进行高填土深层软土地区 桥台稳定性研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 现场试验 f r a n x 等【7 】早在1 9 4 8 年就观测桩基和桥台在土体侧向位移影响下发生的偏移 情况，其中有个工程在施工完成两年后，土体仍在产生很大的侧向位移，导致桩 被破坏。 n i c u 等( 1 9 7 1 ) t 8 】对位于1 3 5 m 厚的硬粘土中的6 根桥台桩进行了现场观测，测 定了桩的侧向位移、桥台的沉降与侧向位移，发现桥台翼墙的沉降达5 5 m m 时， 桥台产生朝路堤方向的位移，当载荷超过3 倍软土层不排水抗剪强度时，桥台侧 向位移急剧增大。 g u es s 等( 1 9 9 7 ) 吲通过在桥台中间桩和边桩上埋设钢弦式应变计和测斜管 来监测桥台基桩的轴向应力和水平位移，具体分析了台后填土在桥台基桩上产生 的负摩阻力，并给出了基桩和土体的水平位移曲线。 w o n - p y oh o n g 等( 2 0 0 4 ) t l o l 对修建在软土地基上的桥台进行现场测试，评估 了桥台侧向移动，提出了修建桩板墙的稳定措施。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 马时冬【l l 】对某高速公路桥台桩基础进行了现场测试，该桥台桩基础地层中有 约1 3 m 厚的淤泥层，台背填土高4 5 m ，分层填筑。通过对桩身应力、应变、桩 周土层分层沉降及土层水平位移进行现场测试，得到了中性点位置和桩侧负摩阻 力的分布情况，并将实测值与设计值进行对比，发现目前规范提供的估算方法得 到的中性点深度在很多情况下大于实际中性点深度，因而推荐了一个更为接近实 际情况的公式。文中同时还对确定桩侧摩阻力的计算方法做了评定，并推荐了两 种较为适用的方法。 聂如松等【1 2 】通过监测某桥台基桩轴力在台后路基填筑过程中的变化情况， 得到了桥台基桩轴力随台后路基填筑高度变化的一些规律。从测试结果可以看 出，台后路基填土在桥台基桩上产生了较大的荷载，负摩阻力中性点相对深度系 数约为0 2 0 - 0 2 7 。 目前国内外专门研究软土地基桥台现场试验监测方法与技术的文献很少，而 且大多数试验监测工作仅仅研究软土地基桥台在某一方面的受力变形特性，并没 有形成统一完善的监测系统进行研究。随着近年来岩土工程监测技术的进步与发 展，特别是电子技术和计算机技术的快速发展，随着各种不同形式的应变计、孔 隙水压计和测斜仪等新型监测仪器的研发与使用，随着采集分析监测数据的方法 不断提高，对于软土地基桥台的现场监测方法和技术将不断得以完善和提高。 1 2 2 室内试验 日本的i t o 等( 1 9 8 2 ) t 1 3 j 曾在长6 0 c m 、宽3 0 c m 、深3 0 c m 的钢制模型箱内观测 在不同桩径和桩距以及土体位移下，处于位移土体中的桩排所受土压力的变化情 况，试验结果表明，理论值与实测值吻合较好。 s p r i n g m a n ( 1 9 8 9 ) 1 4 j 通过一系列的离心模型试验，研究了软土地基上，附近 路堤超载对桥台桩产生的侧向影响，得出了以下结论： ( 1 ) 附近路堤超载作用下，桩帽处和桥台翼墙产生了很大的侧向位移，而沉 降8 1 曼d , ： ( 2 ) 在路堤填筑过程中，后排桩( 远离路堤的那排桩) 的最大弯矩比相应前 排桩( 靠近路堤的那排桩) 稍微大一些，随着路堤的填筑，后排桩和前排桩的最 大弯矩分别以3 j d 和1 5 的速度递增； ( 3 ) 在软土和路堤的交界面发生了剪应力传递现象，由此引起桩帽处侧向荷 载的增加，从而造成桩水平位移增加。 s t e w a r t ”】也利用离心模型试验研究了软土地基上桥头路基填土对桥台桩基 的影响，得出：桩身的侧向偏移主要发生在路堤初始不排水情况下，随着路堤填 土孔隙水压力的消散和路堤沉降量的增大，桩身偏移逐渐减小，桩帽偏移量的 7 0 发生在路堤不排水阶段，余下的3 0 发生在随后的路堤固结排水阶段；后来 中南大学硕士学位论文第一章绪论 s t e w a r t 1 6 】又选用了两组比较典型的试验进行分析，结果发现：桩身最大弯矩发 生在桩头附近或软、硬土分界面附近，最大弯矩的具体位置取决于软土层的硬度 变化和有无斜桩的存在以及斜桩的个数，桩身最大弯矩与路堤填筑高度、软土的 不排水抗剪强度、软土层厚度、软土压缩模量及桩身抗弯刚度等因素有关。 b r a n s b y 1 7 l 通过一系列的离心模型试验，假设台后路堤填土始终处于不排水 的情况，来研究台后超载时桩基的受力变形状况。e l l i s 等【m 1 9 】采用离心模型试 验模拟了软土厚度分别为6 m 和1 0 m 的情况下，路堤快速填筑和慢速填筑分别对 桥台桩基的变形影响，证明了路基填筑速率对桩的受力变形状况影响显著。 目前用离心模型试验模拟或反映软土地基中桥头路基填筑过程中桥台桩基 性状是可行的，但同时也存在不少困难，其中最主要的是量测技术不完全过关和 难以确保重复试验的条件相同，还需进一步研究。 1 2 3 数值计算 位于深厚软土地基中的桥台桩基，由于桥台台后路基的填土引起下卧软基塑 性流动，将对桥台桩基产生明显的侧向压力，这部分桩基属于被动桩的研究范畴。 被动桩的分析方法除了根据经验进行分析以外，主要还有土压力分析法、位移法 和有限元分析法【2 1 1 。 ( 1 ) 土压力分析法 这种方法首先通过各自的假设或理论推导确定不同的土压力分布型式，然后 由相应的理论计算方法得到桩身最大弯矩和桩顶变形，或弯矩和变形沿桩身的分 布【2 2 1 。 d e b e e r 和w a l l a y s ( 1 9 7 2 ) 捌等假设作用于软土层内的桩上侧向土压力呈矩形 分布，得出与实测结果较吻合的桩身最大弯矩，但是不能求出桩身弯矩随深度的 变化情况。t s c h e b o t a d o f f ( 1 9 7 3 ) 2 4 】假设作用于软土层内桩上的土压力呈三角形分 布，得出了桩身的弯矩分布，却无法计算出桩的水平位移，软土的侧向移动引起 路堤下剪应力传递机理也没有搞清楚。 i t 0 等( 19 7 5 ) 2 5 】根据桩间土的塑性变形理论从单排桩角度提出了移动土体产 生的极限侧压力计算公式，该公式考虑了桩径、桩间距和土性参数对侧压力的影 响，但是运用该公式还得结合下卧土体的实测变形资料才能分析桥台桩身的受力 状态。 s t e w a r t 等( 1 9 9 2 ) 1 2 6 】根据s p r i n g m a n 推荐的简单土体变形机理，建立了土压力 与桩土近似相对位移的关系式，然后按嵌固桩计算出了桩身弯矩和桩顶位移。 沈珠江基于散粒体极限平衡理论推导了无限土层中土体沿水平方向绕桩滑 动时桩身受到的绕流阻力公式。沈珠i ! z ( 1 9 9 2 ) 2 7 l 对此绕流阻力公式作了进一步修 正，并另外研究了桩间距有限情况下的绕流阻力公式。他假设土层无限广阔并沿 4 中每大学硕士学位论文 第一章绪论 水平向对垂直桩作相对运动，土层为理想的凝聚材料或摩尔库仑材料，且桩的 侧面绝对粗糙，得到矩形和圆形桩单位桩长上的绕流阻力公式，该公式只能用于 计蓑因土体移动产生的作用于桩身的极限侧压力，桩身真实侧压力的大小还要结 合桩身变形的实测资料才能推求。 士压力分析法是在一些假设的条件下通过理论推导得出不同的理论计算公 式乏较少考虑桩土相互作用，只能作为被动桩的初步设计。 ( 2 ) 位移法 采用位移法分析桩土相互作用，必须计算或实测无桩时土体自由侧向位移分 布，然后把这位移叠加到桩上，而桩土相互作用则用弹性理论或地基反力法计算。 该法能得出弯矩和位移分布，但土体位移分布计算比较困删2 羽。 弹性分析 p o u l o s ( 1 9 8 0 ) t 2 9 1 提出了弹性土体中单桩的有限差分边界元分析法。桩用弹性 薄条模拟，其变形方程写成有限差分形式为式( 1 - 1 ) 。土的变形主要由处荷载和 桩的反力联合产生，其中桩反力产生的位移由半无限弹性体的m i n d l i n 解计算， 土体的变形方程为式( 1 - 2 ) 。 例 纠= 罟 p ) e p l ( 卜1 ) 泐2 苦恸小卅溉) ( 1 2 ) 式( 卜1 ) 中： 办位移向量； p ) 一荷载向量；【刎一有限差分系数。 式( 卜2 ) 中：乓士体模量参考值；巨一节点处土体模量；【，】一土体位 移蠢数，由半无限弹性体中受水平荷载的m i n d l i n 方程确定； p 。) 为外部土体位 移朗j 入 b e 是考虑了土体弹性模量的不均匀性，而m i n d l i n 解是适合于均 质主的。由桩土位移的协调性，式( 1 - 1 ) 与式( 1 - 2 ) 的 讲相等，同时引入桩头和 桩端的约束条件，即可求解 p ) 和 p ) ，从而计算弯矩。 h u l l 和m c d o n a l d ( 1 9 9 2 ) 用该法分析了由于路堤填筑引起的接近破坏的桩。 地基反力法【3 0 l m a r c h e ( 1 9 7 3 ) 用地基反力法分析了土体侧向位移引起荷载的桩，与p o u l o s 的理性方法不同，尽管合适的地基模量可以反映相互作用，但不直接考虑地基的 连续性。控制方程为： d 4 1 ， 髟5 七( 蚱一州 其中k 为地基反力模量。利用现场实测土体自由位移和考虑地基性状随深度 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 变化，该法的计算结果和实测值非常吻合。m a r c h e 和s c h n e e b e r g e r ( 1 9 7 7 ) 进行类 似分析，用弹性理论计算土体自由位移时，考虑了土的不均质性和各向异性，也 得到与实测非常一致的结果。b o u r g e s 等( 1 9 8 0 ) 和b i g o t 等( 1 9 8 2 ) 用非线性弹簧( 即 p y 曲线) 模拟土体，采用上述方法分析，并编制了单桩的计算程序。b i g o t 等 ( 1 9 7 7 ) 用该程序通过输入实测土体自由位移计算出桩的弯矩和位移与实测值非 常一致。 改进方法 以上方法已用于单桩分析，也可按下列方法之一改进后用于分析桩群。 1 ) 把单桩分析时的桩头固定改为近似模拟刚性桩帽的影响，这相当于假定 各排桩的土体侧向位移相同，这样偏于保守，特别是由于相邻桩的遮拦作用，位 移会明显减小。 一 2 ) 修改计算程序，以适用于不同的土体自由位移，这样将更符合实际情况， 尽管在缺少更详细的试验资料或分析资料情况下，很难确定遮拦作用所引起的位 移减少量。由于桩群的遮拦作用，输入的土体自由位移可能比桩周实际要大，所 以上述两种改进都可能偏于保守。当桩群使土堤安全系数增加很多时，这种影响 特别显著。 位移分析法分析结果的准确性主要取决于作为已知条件输入的自由土体的 侧向位移场是否准确，一般来说土体的侧向位移只能通过实测得到，这就限制了 该法的应用。 ( 3 ) 有限元分析法 平面应变分析 r a n d o l p h ( 1 9 8 1 ) f s l 】编制了平面应变分析程序。桩用等值板桩墙代替，其抗弯 刚度等于桩土的平均抗弯刚度，软土用修正剑桥模型模拟，土堤用等值荷载代替。 这样可以把桩群直接分成单元网格进行计算。 s p r i n g m a n ( 1 9 8 4 ) t 3 2 】用平面应变方法分析时，将土堤用线弹性模型，软土用 线弹性模型或修正剑桥模型，计算结果与离心机试验结果不太吻合，不同的计算 模型得出的桩弯矩分析也不同。这主要是由于板桩墙模型不能模拟桩土间的相对 位移。 n a y l o r ( 1 9 8 2 ) t 3 3 1 用平面应变方法分析时，在板桩墙与土体之间设置了界面单 元，这样允许土和墙产生相对位移，且接近桩周三维特性，分析表明，对于柔性 桩或软土层很深的情况，并不需要设置界面单元。在n a y l o r 分析模型中由于软 土、土堤和界面单元均用线弹性模型，因而不能考虑土和墙之间的极限土压力。 s t e w a r t l l 6 】利用平面应变有限元分析路堤施工时邻近软土中桥台桩基的性 状，替代桩基的等值板桩墙采用三结点梁柱单元模拟，用m o h r - c o u l o m b 模型模 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 拟土体的应力、应变性质，桩土接触面设置弹塑性节理单元，计算结果与离心模 型试验和现场实测结果基本一致。 e l l i s 3 4 】基于平面应变有限元分析，建立了软土地基上桥台桩土共同作用模 型，并且把有限元理论分析结果与离心模型试验结果作了很好的对比，同时也验 证了有限元和离心模型试验分析此问题的有效性。 费正华等1 35 】建立了软基上单排桩桥台、桩、土相互作用的平面杆系有限元 计算模型，并编制了相应的计算机程序，并应用该程序对某一桥梁进行了计算， 其计算结果与实测结果吻合较好。 蔡国军 2 h 结合连云港软土地区某一桥梁工程，通过平面应变有限元方法研 究了桥头路基填筑高度、填筑速率、下覆软土层厚度以及土性参数变化等对相邻 桥台桩的侧向影响。 王宏贵【3 6 j 针对现场采用的软土桥台设计方案，分别对砂井预压、搅拌桩、 轻质填料和反压护道等地基处理方案进行了有限元建模与数值分析，结果表明各 方案限制软基桥台侧移的效果自高到低依次为：轻质填料、搅拌桩、砂井预压、 反压护道。 三维分析 s p r i n g m a n 1 4 j 使用线弹性模型进行了桥台桩土相互作用的三维有限元分析， 由于单元网格划分太粗糙，在一定程度上影响了计算的精度。 b r a n s b y 了7 】运用三维有限元分析了台后路堤填筑过程中桥台桩基的反应性 状，土按线弹性模型计算，将分析结果与离心模型试验结果进行了比较，二者吻 合很好。 蒯行成等【3 8 】建立了软土桥台一桩系统三维线弹性有限元分析模型，将软土 运动产生的土压力作为荷载施加到桩身上，用连续分布的弹簧模拟硬土层对桩的 约束作用，采用该有限元模型对一实际桥台进行了计算，计算结果可以合理地解 释该桥台的开裂现象。 三维有限元模型可以很精确地考虑各种复杂的边界条件、土体的非线性、路 堤施工等因素的影响，因而理论上三维有限元模型的计算结果最为接近实际情 况。但由于三维模型建模过于复杂，计算机时太长，而平面应变模型足以满足工 程精度的要求，所以在实际应用中，更多的采用了平面应变模型以简化计算。平 面应变有限元分析可以明确地反映出桥台桩与土的整体反应性状，而且计算简便 快捷。然而，合理地考虑土的非线性性状即选用合适的土体本构模型，是该法进 一步发展的方向。 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 本文的研究内容 通过对以上提到的相关文献进行总结，发现在软土地基桥台稳定控制和现场 监测技术研究方面存在以下问题： ( 1 ) 到目前为止，研究者采用的计算模型一般还是弹性、弹塑性模型和粘弹 性模型，考虑软土固结和蠕变特性的桩土桥台的应力应变关系对桥台稳定影响 的研究很少； ( 2 ) 目前的设计计算方法，没有充分考虑复杂的桥台桩和土之间的相互作用 问题，软土侧向变形引起桥台桩侧土压力问题研究尚不够深入，特别是铁路部门 在这方面还是空白： ( 3 ) 对软土地基桥台稳定的影响因素和控制措施尚未进行系统地归纳总结； ( 4 ) 软土地基桥台现场试验监测方法与技术不规范，没有形成完善有效的监 测系统，监测和施工互相之间干扰大，监测警戒值的确定还缺乏合理的判别准则。 本文通过查阅大量的国内外相关文献资料，在总结相关试验监测资料、被动 桩计算理论及有限元分析方法等诸方面的研究成果的基础上，结合新建温福铁路 的软土地基桥台现场试验监测项目和国家自然科学基金课题，着重从以下几个方 面展开研究： ( 1 ) 分析了软土地基桥台台后路基填筑对桥台稳定的影响； ( 2 ) 探讨了软土地基桥台台后路基填土引起软土变形对桥台桩产生的侧向压 力和负摩阻力的计算方法，并对这些计算方法进行分析比较： ( 3 ) 分析了软土地基桥台病害的表现形式及病因，归纳了软土地基桥台稳定 的关键影响因素，总结了软土地基桥台稳定的控制措施； ( 4 ) 开展了对务山特大桥温州桥台施工阶段监测，整理和分析了已经取得的 初步监测成果； ( 5 ) 采用大型通用有限元软件a d i n a 对在台后路基堆载作用下桥台桩基的 性状进行三维分析，获得了桩基受台后路基填筑影响的变形规律； ( 6 ) 总结全文工作，对研究的发展趋势进行展望。 8 中南大学硕士学位论文第二章软土地基桥台台后路基填筑对桥台稳定的影响 第二章软土地基桥台台后路基填筑对桥台稳定的影响 2 1 软土的工程特性及工程影响 2 1 1 软土的定义 软土在我国滨海平原、三角洲、湖盆地周围、山间谷底等均有分布。国内各 部门、各行业对软土的定义不尽相同，可以归纳为软土包括淤泥、淤泥质粘土、 淤泥质粉土、泥炭、泥炭质土等，软土是一种天然含水量大( 接近或大于夜限) 、 压缩性高( a 1 2 5 k p a 1 ) 、天然孔隙比大于或等于1 0 、抗剪强度低( 快剪的内摩 擦角小于5 。，凝聚力小于2 0 k p a ) 的细粒土【3 9 1 。 2 1 2 软土主要的工程特性及工程影响 ( 1 ) 天然含水量高，孔隙比大，渗透性弱，压缩性高 软土的天然含水量一般接近或大于液限，天然孔隙比一般在1 0 - 2 0 之间， 软土不被扰动破坏时处于软塑状态，而一经扰动，软土的结构受到破坏，将立即 变成流塑状态。软土的透水性能很差，渗透系数小，一般小于1 0 巧c m s 数量级， 固结完成所需时间较长。软土的压缩系数大，大的可达0 4 5 m p a 1 以上。而且在 加载初期，软土地基中常出现较高的孔隙水压力，影响地基的强度。 因此软土地基受上部荷重不仅产生较大的沉降量，而且沉降稳定历时较长， 有的沉降过程可延续数十年。对于建于软土地基中的桥台，究竟何时软土层的沉 降变化才能满足施工和设计要求不得而知，所以应对软土地基桥台及台后路基进 行现场沉降观测。 ( 2 ) 具有触变性，抗剪强度低 软土具有触变性，即软土一旦受到扰动( 振动、搅拌或搓动等) ，软土的强度 将明显下降，甚至变成流动状态。当扰动停止后，随着静置时间的增长，软土强 度又会逐渐有所恢复，但一般不能恢复到原有强度。 软土的直剪快剪凝聚力小于1 5 k p a ，内摩擦角小于5 。；固结快剪的强度指 标略高，凝聚力小于2 0 k p a ，内摩擦角小于1 2 。软土的强度大小与排水条件有 密切关系。在荷载作用下，如果土层有良好的排水条件，那么经过固结后，它的 强度随有效应力的增大而增加，反之，如果土层没有排水固结，则随荷载的增大， 它的强度可能随剪切变形的增大而衰减。 因此，在软土地基上修建桥台时，应力求避免周围无关土体的过分扰动：另 外桥台周围及台后填土要采取加快排水固结的措施。 ( 3 ) 流变性显著，侧向变形较大 软土在一定荷载长期作用下，会发生缓慢而长期的变形，这种在应力不变的 9 中南大学硕士学位论文第二章软土地基桥台台后路基填筑对桥台稳定的影响 条件下，土体变形随时间增长的现象称为蠕变。假设在一定偏应力t 作用下，软 土产生了蠕变，那么偏应力水平愈高，软土的蠕变速率愈大。一旦偏应力高于软 土的屈服极限，软土将不停地产生加速蠕变，直到最后破坏，如图2 - 1 所示【z 。 当桥台台后路基填土高度较低时，路堤下软土中偏应力水平较低，土的侧向位移 较小，主要为弹性瞬时位移；填土高度较高时，其接近或超过临界高度时，土的 侧向瞬时位移增加，并伴有缓慢的稳定蠕变：当填土足够高时，软土层中的偏应 力达到屈服值，软土将产生较大的加速蠕变。软土蠕变持续时间相当长，有的持 续达数十年。一般情况下，软土中粘粒含量和含水量越高，软土透水性越弱，软 土的蠕变性越显著。 破坏 变形 终止 t 图2 - 1 软土的蠕变特性 软土受荷产生的侧向变形比一般土要大，而且侧向变形与竖向变形之比，在 相同条件下也比一般土体要大。也就是说，软土的泊松比要比非软土大。饱和软 土受荷时，初期水来不及排出，土体体积不能收缩，便从侧向向外挤出，侧向膨 胀的体积与竖向沉降的体积近于相等，随着水的逐步排出，土体体积收缩，竖向 沉降迸一步发展，而侧向可能略有收缩。 软土受荷会产生较大的侧向变形，容易对桥台及其下部桩基造成各种危害。 目前考虑软土蠕变的桩一土一桥台的应力应变关系对桥台稳定影响的研究较少，这 是值得研究的一个方向。 ( 4 ) 吸附力较大 软土一般具有较大的吸力或吸附力。研究表明，软土对建筑物的吸力由三部 分组成，即软土与建筑物底面的粘结力、真空负压( 即负的孔隙水压力) 和软土对 建筑物侧面的摩阻力，其中真空负压是最主要的因素。 2 1 3 温州软土的工程特性 本文所研究的对务山特大桥温州桥台位于温州市苍南县，温州地区是我国著 名的典型软土地质区，温州地区位于浙江的东南部，面临东海，背靠雁荡山脉。 内有欧江、飞云江、鳌江三大水系，靠近沿海一带地势平坦，区内河网纵横，大 部分地区的浅层土是比较典型的近海沉积的。与其他地区软土相比，温州地区软 1 0 中南大学硕士学位论文第二章软土地基桥台台后路基填筑对桥台稳定的影响 土具有以下特征【删： ( 1 ) 含水量非常高，一般为5 0 - 8 0 。孔隙比较大，为1 4 - 一2 2 ，液性指数 大于1 0 ，按软硬状态应处于流塑状态： ( 2 ) 强度极低，内摩擦角小于1 0 。，凝聚力小于1 5 k p a ，天然地基的承载力 标准值低，& 4 5 k p a ； 一 ( 3 ) 压缩性很高，压缩系数a 1 2 1 0 m p a 1 ，压缩模量e s 2 5 0 0 k p a 。 2 2 软土地基桥台台后路基填筑对桥台桩的影响 建于软土地基上的桥台，当软土层厚度较大，台后路基填土较高时，台后路 基填筑将对桥台桩基产生相当大的影响，如图2 2 所示，主要表现在两个方面： ( 1 ) 引起下卧软土层侧向变形而挤压桩身，使桩挠曲甚至破坏 由于软土具有压缩性高，蠕变性显著和侧向变形较大等工程特性，软土层在 台后路基荷载的作用下，不断被压缩并产生侧向挤出，进一步产生水平塑性流动， 将在桥台桩基上产生很大的附加水平力，使桩挠曲甚至破坏。这种附加水平力具 有以下特性： 附加水平力的方向和软土地基水平位移的方向一致； 附加水平力的大小由软土地基水平位移所决定，软土地基的水平位移越 大、越快，附加水平力也相对越大； 附加水平力还同桥台桩基阻碍水平位移的面积及桩基本身的刚性有关，桩 径越大，阻碍面积相对也越大，桩所受的附加水平力也越大。 另外，台后路基边坡土体有可能在软土层中形成贯通的滑动面，当最危险滑 面位置较深，而桥台桩基又处于滑动体影响范围内时，滑带以上部分土体的移动 或蠕动会对桩基产生推力。还有台后路基填土作用在桥台背的土压力会传递到桥 台桩基，软土侧向变形使软土层与路堤之间产生的剪切应力也会传递到桥台桩基 上，这些都会使桩受力产生挠曲变形。 。 ( 2 ) 台后路基填土引起软土地基固结，使邻近桥台桩基受到负摩阻力而加大 沉降，并且往往造成不均匀沉降 在正常情况下，桩受竖向压力后，相对于桩侧土做向下运动，土对桩就产生 向上作用的摩阻力，称为正摩阻力。但是当桩周地基土由于某种原因，产生的沉 降变形大于桩身的沉降变形时，在桩侧表面的全部或一部分面积上将出现向下作 用的摩阻力，称之为负摩阻力。负摩阻力作为施加在桩上的外荷载，不仅降低了 桩基的承载力，常常会增加桩的沉降或不均匀沉降，而导致建筑物损害或破坏。 位于软土中的桥台桩基，如果穿过较厚的软土层而支承在坚硬的持力层上， 台后路堤高填土是一个很大的地面荷载且位于桥台的一侧，填土荷重使软基被压 中南大学硕士学位论文第二章软土地基桥台台后路基填筑对桥台稳定的影响 密下沉，软土地基内会产生超静孔隙水压力，随着超静孔隙水压力的逐步消散， 土体产生固结沉降，当桩周土体沉降大于桩沉降时，桩身就会受到负摩阻力作用， 容易引发病害【4 i j 。 桥台桩基负摩阻力的发生和发展需要经历长期缓慢的时间过程，这是由软土 的固结沉降特性决定的。桥台桩基负摩阻力强度与基桩沉降、桩侧土压缩沉降、 沉降速率、台后填土速率、施工作业等因素有关，且它随时间的变化和分布比较 复杂。 图2 - 2 软基桥台台后路基填筑对桥台影响示意图 一般说来，上述软土地基桥台台后路基填筑对桥台桩的两种影响是同时存在 的。不过，在某些情况下，第( 1 ) 种影响比较突出；而在另一些情况下，第( 2 ) 种 影响是主要的。桥台桩处于软土层滑动体影响范围内时，破坏模式可以归纳为以 下四种【2 1 】： “流动模式 ，当滑面较浅，并且不稳定土进入可塑状态将绕过桩而流动； 桩的最大弯矩出现在滑面以下，桩的位移小于土体的位移； “短桩模式，当滑面位置相对较深时，稳定土中的相对桩长较短时，滑 动的土推动桩穿过稳定土层，稳定土层的强度得到充分发挥。桩的最大弯矩出现 在滑面以上的流动土中，土与桩的位移相同； “中间模式”，沿桩长的流动土和稳定土的土体强度都得到充分发挥，桩 的弯矩可能出现在滑面的上方或下方，桩头位移超过土体位移； “长桩模式”，这种模式发生在最大弯矩达到了桩截面的屈服弯矩时，虽 然经验表明，这种破坏最可能伴随“中间模式 一起发生，但这种模式和上述土 体三种破坏模式中的任何一种均有关系。 1 2 中南大学硕士学位论文第二章软土地基桥台台后路基填筑对桥台稳定的影响 2 3 软土地基桥台台后路基填筑对桥台的影响 软土地基桥台台后路基填土超过一定高度时，软土层因压密下沉产生塑性流 动，产生作用于桥台桩基的水平力，使桩发生挠曲，进一步使桥台产生向前的水 平位移，也就是桥台前移，过大的桥台前移将造成支座、伸缩装置、背墙或梁局 部受压变形甚至破坏。在少数情况下，当地基软弱土层比较厚，台后路基在荷载 作用下发生大面积剪切下沉，进一步可能发生深层滑移使桥台桩基产生很大的变 位或破坏，使桥台朝台后路基发生位移或倾斜，造成梁与桥台支座发生滑移，伸 缩缝张开，严重时梁会掉落。软土地基桥台台后路基填筑除了引起桥台位移外， 还容易使桥台产生倾斜、局部开裂和不均匀沉降等各种病害。本节主要研究桥台 前移，这是桥台稳定性研究的重要内容。 2 3 1 影响桥台前移的因素 影响桥台前移的因素主要有以下几点： ( 1 ) 桥台台背填土高度及容重 桥台台背填土越高，容重越大，对桥台台背产生的侧向土压力也越大，同时 使得下卧软土层的侧向变形也越大，造成桥台产生的位移就越大，因此有些桥台 台后路基填土采用轻质填料。 ( 2 ) 桥台埋置深度 桥台埋深越浅，越易发生前移。 ( 3 ) 桥台及基础的型式 桥台和基础型式的选择对桥台的稳定至关重要。例如重力式桥台自重大，在 软土地基上发生前移的比例较高，而若采用轻型桥台，则可大大减小桥台的位移。 采用多排直桩和台前加设斜桩均比单排直桩在控制桥台前移上有效。 ( 4 ) 桥台的顺桥向长度 加大桥台在顺桥向的长度可以增加桥台的刚度，有利于抑制桥台前移。 ( 5 ) 软土层厚度 桥台地基软土层越厚，软土层厚度与整个基础埋置深度比值越大，桥台越易 发生前移，结构越不安全。 ( 6 ) 软土层强度 软土层强度过低是造成软基上桥台发生较大位移的根本原因。软土层强度越 低，桥台越易发生前移现象。 从力的角度考虑，使桥台产生前移有两个主要因素，一个因素是软土塑流作 用于桥台桩基上的附加水平力使桥台发生前移，另一个因素是桥台台背填土对桥 台施加侧向土压力使桥台前移。本文重点研究前者对桥台前移的影响。 中南大学硕士学位论文第二章软土地基桥台台后路基填筑对桥台稳定的影响 2 3 2 判断桥台前移的计算理论 桥台前移的判定是以填土的稳定系数为基础，并考虑到上述引起桥台前移的 因素，引入三个修正系数，确定前移判断系数i1 4 2 1 ，即： ，：甜，地丝 ( 2 1 ) 。 c 式中：u 。= d l 一软土层厚度比修正系数； = 6 b 一基础横向阻力修正系数，b 为桩基横向宽度； u 3 = d 么一桥台长度修正系数； y 日c 一稳定系数： 。 c 一软土层的粘聚力，砒； y 一填土的容重，k n m 3 。 、u ，的值在0 1 0 之间，当屹3 0 时，取蚝= 3 0 。 当j 1 5 时，桥台无移动危险：，1 5 时，桥台有移动危险。如下图所示： 图2 - 3 判断桥台前移的计算参数示意图 温福铁路对务山特大桥温州桥台前移判断计算参数：d = 2 8 m ；l = 4 9 m ：b = 9 m ； a = 1 5 m ；b = 3 7 5 m ；y = 1 9 k n m 3 ；c = 7 2 k p a ；h - 6 m 。 u ，= d 三= 2 8 m 4 9 m = o 5 7 1 甜，= b b = 3 7 5 m 9 m =