（地质工程专业论文）高填土路堤对桥台桩基作用研究.pdf

摘要 本文综述了国内外在软土高填土路堤对桥台桩基作用方面的最新成果。在 理论和方法上建立和完善了高填土路堤对桥台桩基作用的理论与方法。其研究 结果将对我国公路、铁路、水利、码头等软土桥梁工程建设具有重要的参考价 值与社会效益。本文围绕这一课题，主要完成了如下的研究工作： 在软土地区高填土路堤对桥台桩基作用造成病害方面，总结了正在建设和已 建好工程出现病害或问题的类型，并系统研究了造成这些病害的造成的原因， 和罗列了其中一些重要的影响因素。 在软土地区高填土路堤对桥台桩基作用的研究方面，在分析总结前人研究成 果基础上，从理论上和经验上提出了桥台台背填土自重、填土上荷载对桩基产 生的附加竖向和水平压力计算方法、桥台桩基负摩擦力和下拉荷载的计算方法。 在介绍这些计算方法的基础上重点探讨了土体对桩基侧向作用。 在软土地区多层地基中侧向受荷桩力学模型研究方面，提出了桥头路基对附 近桥墩及桩基受力性状的影响。在计算时采用了能够考虑桩土体系参数及侧向 土压力沿深度任意变化情况的新方法。该方法在桩基在侧向和竖向压力的作用 的基础上，排除了一些竖向压力的因素，是因为竖向压力仅仅在复核桩基强度， 对桩身弯矩、剪力及侧向位移的计算影响甚微。 在软土作用造成病害研究方面，在分析路堤对桩基的作用基础上，参考大量 的设计、施工等方面文献针对高填土路堤对桥台桩基的危害比较全面地提出 施工前预防措旄、施工时防治方法、施工后养护要点以及危害出现后的加固途 径。 关键词：高填土路堤；病害；负摩阻力；附加土压力；软基侧向变形；基床系 数；桩身侧压力；防治 a b s t r a c t 1 1 l j sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st l a cd o m e s t i ca n de x t e r n a ln c w c s tl l c l i c v c l n l ：n l so n t h ea s p c c l so ft h er e s e a r c ho fh i 曲- f i l l i n gc m b a n k m e n ta c t i o l lf o rb r i d g ep i l e f o u n d a t i o n t 五et h e o r ya n dm e t h o do nt h er e s e a r c ho fh i g h - f i l l i n ge m b a n k m e n t a c t i o nf o rb r i d g ep n cf o u n d a t i o na ne s t a b l i s h e da n dp e r f e c t e d , a n di t sr e s u l t sw i l l h a v et h ei m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ca n dt h es o c i a le f f i c i e n c yt ot l a cs o f t - s o f tb r i d g e e n g i n e c r l n gs u e l aa st h eh i g h w a yr a i l r o a d s , w a t e rc o n s e r v a t i o n sa sw e l la st h ew h a r f s i nc h i n a t h i sd i s 靶r t a t i o nr e v o l v e st h i st o p i c ，m a i n l yh a sc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n g r e s e a r c hw o r k ： f o rt h ea s p e c to ft h eh a r mo l lt h es o i l s t r u c t u r ea c t i o no ff u l l - h e i g h tp i l e db r i d g e a b u t m e n t s , s u m m a r i z e st h ek i n do fe n d a n g e ro rp r o b l e mo c c u r r i n gt ot h eu n d e r c o n s t r u c t i o no l rb e e nb u i l ts t r u c t u r e s ，a n dr e s e a r c h e si t sc a u s i n gb yt h en u l n b c r s , a n d c n u m c r a t e $ s o l n ci m p o r t a n ti n f l u e n c ef a c t o r s f o rt h ea s p e c to ft h er c s e a r c l ao nt h er e s e a r c ho fh i g l l - f i l l i n ge m b a n k m e n t a c t i o nf o rb r i d g ep i l ef o u n d a t i o n , b a s e do nt h cr e s u l t so fp r e v i o u ss t u d i e s , f r o m t h e o r ya n dc x p c r i e n c e ，t h i sd i s s e r t a t i o nb r i n g sf o r w a r dc a l c u l a t i o nm e t h o do ft h e a d d i t i o n a lv e r t i c a la n dh o r i z o n t a ls o i lp r e s s u r eo np i l ec a u s e db yt h ed e a d w e i g h to f t h ef i l l i n gs o i lb a c ko ft h eb r i d g ea b u t m e n ta n dt l a el o a da b o v ei t ；c a l c u l a t i o nm e t h o d o ft h en c g a t i v cf r i c t i o na n dp u l l d o w nl o a do np i l e db r i d g ea b u t m e n t s 0 , 1t h eb a s i so f i n t r o d u c i n gt h e s em e t h o d s ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e d0 1 1t h el a t e r a ls o i la c t i o no nt h e p i l e f o rt h ea s p e c to ft h er e s e a r c ho fm e e l a a n i c a lm o d e lo ft h el a t e r a lb e a r i n gp i l e si n m u l t i l a y e rf o u n d a t i o no ns o f tg r o u n d , t h i sd i s s c x t a t i o np u t sf o r w a r dc h a r a c t e r so i l f o r c eo ft h ef i l l i n gb a c ko ft h eb r i d g eo nt h ep i e ra n dp i l en c a l r 1 1 圮n e wm e t h o dc a n c a l c u l a t et h ep i l e s i n t e r n a lf o r c eb yu s i n gt h ep a r a m e t e r so fs o i la n dp i l e sa n dl a t e r a l e a r t hp r c s s u t ec h a n g e sa l o n gt h ea r b i t r a r yd e p t h t h em e t h o do fl a t e r a la n dv e r t i c a l p i l ep r e s s u r eo rt h er o l eo ft h ef o u n d a t i o n , l c l l l l o v l 瞎s o l l l l l p r e s s u r ef r o mt h ev e r t i c a l , j u s tb c c a u s et h a tv e r t i c a lp r e s s u r eo n l yr e v i e w sp i l e s i n t e n s i t ya n dh a sl i t t l ee f f e c to n t h ei n t e n s i t yo fb e n d i n g , s h e a r , l a t e r a ld i s p l a c e m e n t f o rt h ea s p e c to ft h er e s e a r c ho fd i s e a s e s ，c a u s e db ys o f ts o a , o nb a s eo ft h e a n a l y s i so nt h ee m b a n k m e n t sa c t i o no f 出f o u n d a t i o n , t h i sd i s s e r t a t i o nr e f e r e n c e sa l a r g en u m b e ro fd e s i g n , c o n s t r u c t i o na n d o t h e ra s p e c t so fl i t e r a t u r e a i ma th i 曲蚵l i n g e m b a n k m e n th a r mt ot h ep i l ef o u n d a t i o n , t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s ep r e - c o n s t r u c t i o n p r e v e n t i v em e a s u r e s ，c o n s t r u c t i n gc o n t r o lm e t h o d s ，p o s t - c o u s t r u c t i o nc o n s e r v a t i o n m e a n s , r e i n f o r c e dm e a s u r e so nt h ee m e r g e n c eo f h a r m k e yw o r d s ：h i g h - t i t l i n ge m b a n k m e n t ；h a r m ；n e g a t i v ef r i c t i o n ；a d d i t i o n a ls o i l p r e s s u r e ；s o f ts o i ll a t e r a ld e f o r m a t i o n ；b e dc o e f f i c i e n t ；b o d yp i l el a t e r a l p r e s s u r e ；p r e v e n t i o na n dc u i l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名庠惦 矽叼年。；月w 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：序况知 年。朔_ 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 国际高速公路网的逐渐形成，信息化公路的逐步实现，卫星检测及控制系 统将广泛运用，智能运输系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t s y s t e m ，i t s ) 的广泛应用等 等。这些将成为世界公路网发展的必然趋势。2 0 0 5 年我国新增公路里程4 9 万 公里：其中，高速公路6 7 0 0 公里。截止到2 0 0 5 年底，全国公路总里程达到1 9 2 万公里，我国共有1 8 个省市高速公路通车里程超过1 0 0 0 公里。从2 0 0 0 年到2 0 0 5 年。我国累计完成公路建设投资1 9 5 0 5 亿元。“十一五”期间，我国公路建设的 重点是国道主干线、国家重点公路、路网改造、农村公路及客货运枢纽。目前， 交通部已经确定了国家重点公路建设规划的1 3 纵、1 5 横，共2 8 条路，规划总 里程7 1 万公里。我国的公路建设特别是高等级公路建设正处于高速发展时期， 根据交通部最新公布的国家高速公路网规划，从2 0 0 5 年起到2 0 1 0 年，国家 高速公路网总体上实现“东网、中联、西通”的目标；到2 0 3 0 年，国家将斥资 两万亿元，新建5 1 万公里高速公路，使我国高速公路里程达到8 5 万公里。可 以说，我国高速公路业正处在产业的扩张期，和正面临着持续繁荣的契机 高速公路对地基要求甚高，建成后必须达到“安全、高效、舒适”这样的 服务目的。从已投入使用的高等级公路特别是高速公路来看，存在着不少问题， 比如说路面坎坷不平，路面低凹处或桥头高差引起跳车等等。其中比较常见的 道路病害是：路面在桥台背回填处出现沉陷或断裂。这些危害大大影响行车安 全、降低行车速度、影响车辆运营费用和加速桥梁及路面的病害，对道路桥梁 的运行影响极大。这些危害主要是由于桥台后填土对桩基推移作用产生的，而 桥台背后填土对桥台桩基产生的侧向推移作用早已引起人们的重视，工程实践 中不少桥梁桥台混凝土出现裂缝，严重的则发生纵向推移，即桩基连同桥台和 梁板一起向线路走向偏移。这都不同程度地影响了桥梁的寿命和运行安全。杭 甬高速公路杭州段共修建通道桥3 0 座。到2 0 0 2 年为止，有3 0 座桥台出现裂缝， 占通道桥总数的4 7 。1 9 9 5 年有5 座桥台出现裂缝( 即完工后出现) ，1 9 9 5 年 至1 9 9 9 年之间有3 座桥台出现裂缝，2 0 0 0 年以来有6 座桥台出现裂缝，随着时 第一章绪论 间的推移，裂缝在逐渐扩大。而桩基连同桥台和梁板向一侧推移的质量问题在 软土地区桥梁建设中时有发生。仅杭宁高速公路就有多座桥梁发生显著的纵向 侧移，最大的位移量达到2 0 c m 之多。湖织公路某号桥建成后不久桥头一侧出现 拉裂缝，另一侧出现挤压现象，初步观察表明，侧向变形仍在继续。尽管目前 在桥梁施工中采取填土后再旌打桩基的控制措施，以尽量减少填土的纵向推移 作用，但由于路基软土固结时效很慢，以及软土本身具有显著的流变性，其变 形可持续增长，从而仍会对桥梁桩基产生不利影响。 高填土对桥台桩基的作用很复杂，除高填土本身产生的侧向压力外，还有 填土下路基的变形产生的对桩基的负摩阻力、侧向压力等作用；这些作用力的 大小又与路基土性、路基的处理方法、路堤材料及填筑速率、桥梁整体结构型 式等有密切的关系，系地基、基础和上部结构的共同作用问题。因此还需就高 填土对桥台桩基工作进行研究。 1 2 国内外研究现状 有关桥台背后填土对桥台桩基作用的研究国内外已作过一些研究。国内外 专家、学者通过科学的实验手段、数据模拟、计算模型和先进的计算方法，在 填土对桩基作用机理在理论研究上已经取得了很大的成果。另外，世界各国基 础设施建设的飞速发展，也给理论提供了许多检验和进步深化研究的工程实 例。因此许多专业论文、研讨文稿等文献通过对具体工程的理论计算、现场检 测、工程问题的剖析和总结，进一步阐释了作用机理的理论，修正了不合理的 经验参数，对新建工程的设计、施工、维护和加固等方面有很大的指导意义。 1 2 1 国外研究现状 n a y l o rd , 1 ( 1 9 8 2 ) t 1 j 用二维有限元分析了路堤对桩的作用。 s t e w a r td p ( 1 9 9 3 ) 1 2 1 计算和分析路堤侧向移动对软土上桥墩的侧向作用。软 土地区路堤造成基础横向移动存在产生桥墩横向压力。他阐述了一种新的经验 计算方法，是在荷载作用下使桩达到最大弯矩和桩顶达到最大位移时，考虑基 一桩的相对刚度，建立在简单的变形机理上得到的计算分析方法。该方法计算 桩基的横向位移，解决了其它方法计算上存在的不足，而且同实测数据之问比 2 第一章绪论 较吻合 s t e w a r t d p ( 1 9 9 4 ) 【3 】采用离心模型试验研究了路堤填土对桥台桩基的影响。 e l l i se a 0 9 9 - 0 1 4 】也采用离心试验研究了土层深度和路堤填筑速率的影响关系， 证实了土的侧向位移对桩的作用。软土地区高壤土桥墩对土体产生的作用，是 由于桩基后填土的侧向移动和随之而产生的基础土体的水平位移所致。这种作 用会加大桩的侧向荷载和位移，因此也导致了对桥墩和桥台的不良影响。他研 究的目的是鉴别和量化这种结构类型精确的侧向作用，从而研究出分析这种作 用影响的方法。通过一系列重要的平面应变地球技术和离心模型相结合的试验， 包括在软填土垂直排水模型的应用，得出软填土填筑深度和筑堤材料填筑的速 率的影响。研究成果证实了土的侧向位移和侧向作用的重要性。 b r a n s b ymf ( 1 9 9 6 ) f 5 1 采用三维有限元对超载荷载附近群桩基础进行建模和 计算分析填土和桩基之间的相互作用。主要采用的方法是对以土体应力历史和 最近的应变历史为依据的非线性结构计算模型，和离心模型试验得出的几种结 果进行比较分析。通过原型离心模型试验分析和研究不同的应力应变情况下对 桩基周边填土的荷载变化关系和填土变形行为的影响。 建造在软土层上的高填土桥墩对土体产生的作用影响比较敏感，国内外专 家提出过一系列相应的平面应变有限元分析和离心模型试验相结合的方法。但 是像填土这种类型的结构并不符合平面应交理论的一些计算方法也介绍过，这 些方法成功之处在于通过对离心模型试验结果数据进行比较分析，研究出试验 本身反映不出的土体和桩基的相互作用的本质。e l l i se a ( 2 0 0 1 ) t 6 】在此基础上采 用等效三维问题的二维有限元分析了桥台、软土和桩基的共同作用，得出了应 力、位移、孔隙水压力的分布。 采用平面应变有限元方法，对土体运动作用下的被动桩桩土相互作用进行 分析。分析中考虑土的塑性和大应变，并在桩土间设置接触单元，重点研究桩 周土的位移模式和土体处于不同状态时接触应力的分布规律，讨论了群桩中桩 与桩间的相互作用对接触应力的影响。 1 2 2 国内研究现状 李仁平等( 2 0 0 1 ) 【7 l 以沿海地区软基中桥梁工程为例，说明了软基中桥头路基 对附近桥墩及桩基的影响，采用能够考虑桩土体系参数及侧向土压力沿深度任 第一章绪论 意变化情况的新方法进行计算。滑面以上部分桩身受到的侧压力根据基于散体 极限平衡理论推导的公式计算得到，计算结果及分析结论能够很好地解释现场 调查情况。 谢洪涛等( 2 0 0 2 ) 嗍基于非线性粘弹性理论描述了土体的蠕变特性并对某小 桥桥台挡板开裂原因进行分析，同时对修建在软土中桩基与土、桥台及台背填 土的相互作用进行了有限元计算，得出软土侧向挤出是挡板开裂原因的结论。 嬲( 2 0 0 2 ) m 结合公路桥梁工程实际，讨论桩基负摩擦力的发生条件，分 析软土地区桥台桩基负摩擦力的大小和发生深度，提出降低桩基负摩擦力的方 法。 以上是国内外学者从不同和相同的方面对填土与桥台桩基作用机理的研 究，已成为高填土对桥台桩基作用机理的主要理论基础和重要的计算手段。而 且随着工程实践的发展，尚在不断地创新。然而，由于土体本身具有的复杂性， 以及各种工程条件的不确定性，从工程建设的发展和要求来看，尤其是软土地 区高速公路及桥梁建设中。填土对桩基的作用情况非常复杂。现有计算方法还 有许多问题有待研究，例如土体侧向变形对桩的附加水平作用力的影响，以及 不同地质条件、加载条件下附加水平作用力修正系数的选用。用数值分析方法 计算时，虽然己可灵活选用各种地基模型，但对各种本构模型的识别以及模璎 参数值的确定方面仍存在不同程度的困难。对于运用桩的负摩阻力变形零点的 经验法，由于通常以经验方法为基础。各种土质条件、加载方式等对桩的负摩 阻力变形零点的依赖程度等都还需要进一步深入论证。以上这些问题的存在。 使得桩基上作用计算的准确性尚无法得到较好的保证。从而不同程度地影响了 工程建设的质量。 1 3 本文研究内容 本文旨在建立和完善软土高填土对桥台桩基作用的分析理论与方法，研究 内容主要包括： 1 、研究了高填土路堤对桥台桩基作用造成危害和影响，并对这些影响进行分 析，得出造成其危害的主要原因； 2 、路堤填土自重和路堤上荷载对桩基的产生的附加竖向和水平压力的计算，在 此基础上分析填土极其上部荷载对桩基作用和影响； 4 第一章绪论 3 、软土地基高填土路堤与桩基之间不均匀的沉降差产生土对桩的负摩阻力，并 对负摩阻力计算方法进行了探讨； 4 、对多层地基中侧向受荷桩的作用分析，进行了假设和建立力学模型。这也是 本篇论文探讨的重点，并针对工程实例进行了计算分析和求解，得出多层地 基中桩基在侧向荷载和桩顶初始条件对桩基内力的影响，和分析实际工程中 出现问题的破坏原因。 5 、研究了避免和减小高填土路堤对桥台桩基作用造成危害和影响防治和加固 措施，为旌工工程提出有一定建设性的建议。 5 第二章高填土路堤对桥台桩基作用造成病害 第二章高填土路堤对桥台桩基作用造成病害 2 1 高填土路堤对桥台桩基作用造成病害的类型 对于桥台基础，当台后填土超过一定高度时，桥头路基填筑对于邻近桥台 桩基的影响，主要表现在下述两个方面： ( 1 ) 桥头路基填土使桩基挠曲甚至断裂； ( 2 ) 桥头路基填土往往造成桥台桩基不均匀沉降，这对桥台甚至桥梁上部结 构不利。 2 1 1 桥头路基填土使桩身扰曲和断裂 地基软弱下卧层的塑性流动或沉降引起的桩基扰曲和断裂破坏主要表现 在： 1 、软弱下卧层向河心的滑动，剪断桥台桩基、支座等也同时发生破坏。桥 头滑坡把桥台桩挤斜，可能使桩报废重打；为了避免桥台滑移有时增加桩基排 数；甚至增加桥涵的孔数；连云港市魏跳桥破坏就是典型的例子，该桥布设3 孔( 2 0 m - k 3 0 m - i - 2 0 m ) ，处于软基中，西幅采用框架埋置式桥台，东幅采用带 桩基”u ”型台r 桥头填土5 m 高，桥台前移使墩、背墙、耳墙、台帽、台身出现 较大剪切裂缝，台后路基出现大范围的不均匀沉降及滑动裂缝。 2 、伸缩缝顶死使伸缩缝装置破坏。当移动量大时，将会导致背墙破坏而且 大梁局部压曲、开裂、破碎；如果是正在施工中的桥，大梁将无法安装。 2 1 2 桥台桩基础不均匀沉降 土质不良，由此产生地基沉陷是桥台桩基产生负摩擦力的主要原因。桥涵 通常位于沟壑地方，地下水位较高，在南方地带多有软土，此类土天然含水量 大于液限，天然孔隙比大，常含有机质，压缩性高，抗剪强度低，一旦受到扰 动，天然结构易受破坏，强度显著降低，桥头路基填筑高度较大，产生基底应 6 第二章高填土路堤对桥台桩基作用造成病害 力相对也较大，在车辆荷载作用下更容易引起地基沉陷，且变形稳定历时往往 持续数年乃至数十年。就是在一些稳定地基，因外荷载作用，也无可避免出现 这个闯题。 台后填料一般为渗透性材料，存在着多孔隙，加上施工时受施工作业方面 影响，压实机具不能过分靠近接触台背，不能将填料颗粒间孔隙完全消除，在 车辆荷载和自身重力作用下，填料迅速压缩，孔隙率降低，便在短时间内产生 压缩沉降，造成跳车。在工程实践中，就是施工时工序符合要求。压实度达到 要求，但台后填土较高，随着时间推移也会产生不可避免沉降。有时台后填土 荷载对基底产生附加压力，严重时会使桥台向后倾斜，发生不均匀下沉，危及 行车安全。有的大桥及大桥引道，通车已达1 0 年左右，养护部门每年都进行大 中修，每年都用沥青贯入式作了调平层，但沉降量都在8 c m 左右，使下雨时水 分不能迅速排出，影响行车，又破坏了路面结构，危及行车安全。 2 2 高填土路堤对桥台桩基作用造成病害的原因分析 路基土性、路基的处理方法、路堤填筑材料及填筑速率、桥梁整体结构型 式对桩基位移和作用力都有或多或少的影响，这些影响如果处理不佳，势必对 桥台和桩基产生危害，因此我们应当对危害的造成影响作一点分析和探究，从 而为桥台桩基设计、施工的优化方法和技术措施提供参考和依据。 2 2 1 桥头路基填土引起下卧软土层侧向变形而挤压桩身 在道路与桥梁的连接段，通常需要将路基加高加宽，而当路基下部存在较 大厚度的软土层时，由于较土具有很大的压缩性，随着时间的推移，桥头路基 不断沉降，软土层在上部荷载作用下不断压缩和被侧向挤出，从而对相邻桥梁 的桩基产生侧向压力，导致桩身扰曲，会引起桥台发生侧向位移，在梁间伸缩 缝被顶死后，桥台的侧向变形被限制，因而会在桥台的台背部位引发较大的内 力而影响桥台位移的几个因素： 台背填土过高，软基高填土造成土压力增大，使桥台产生较大的位移。 软土层埋置深度，埋置越浅，越易沉陷和滑动。对多层软土，主要是上层影 响，下层影响较小。 7 第二章高填土路堤对桥台桩基作用造成病害 软土层厚度，软土层越厚，越易发生较大的沉降及滑移。 软土层含水量大，强度极低，非常容易发生沉降和滑动现象。 重力式桥台自重大。对地基要求高，在软基中发生前移比例较高。软基不宜 采用重力式桥台，应设计以桩基为主的轻型桥台，将力传递至较好的土层上，并 减轻水平土压力对桥台的影响。 2 2 2 地基土固结使邻近桥台桩基受到负摩擦而下沉 在公路桥梁工程建设中，桥台钻孔灌注桩处于深层软土地基与台背路堤高 填土荷载的作用，结果桩侧软弱土层受到桥台台背填土荷载的作用，使软弱土 层压缩和桩底下沉及位移，桩产生向下的摩擦力。 对于软基桥梁来说，由于桥梁与路堤在完工后的沉降不同，桩基础桥台完 工后沉降较小，而台后高路堤完工后固结沉降较大，从而使邻近桥台桩基受到 负摩擦而下沉，出现桥头跳车现象，影响桥梁的使用功能。虽然可设置桥头搭 板过渡、调整沉降差，但由于调坡距离短，只能解决小的沉降，如果发生较大 沉降时，反而造成二次跳车。如果不设搭板，为防跳车要频繁调整加铺引道面 层，给养护带来麻烦，且行车不舒适。 桥台在本身平面内的抗弯刚度较大，当桥台下桩的沉降值不同时，将会在 台身平面内产生较大的正弯矩而使得混凝土桥台开裂；而负弯矩可能使台帽混 凝土抗拉应力达到抗拉极限强度而开裂。因此保证或减少桥台受因桩基沉降造 成开裂破坏，应能定量地计算桥台桩基由于地基固结产生的负摩阻力的数值， 和充分考虑负摩阻力之后桩应有足够的承载力，桥台和台帽有足够的配筋和刚 度抵抗沉降产生的后期附加弯矩。 2 3 本章小结 一般说来，上面定性提到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。由于闯题比较 复杂，涉及到被动桩与运动土体的相互作用问题。因此，实际工程中，如何有效 地考虑软基上桥头路基填筑对桥台桩的侧向影响，引起了各国工程界的重视。 要定量考虑以上影响因素，得先分析工程中桥台下桩基主要受力情况，一 8 第二章高填土路堤对桥台桩基作用造成病害 般来说桩基主要承受以下两个方面的荷载： 1 、承担地上结构的恒载和活载； 2 、软基上桥头路基上荷载对桥头桩基产生的附加水平反力；路基填土和侧 向土引起的正、负摩阻力；持力层的端阻力；侧向土移动造成桩的附加 内力。 第1 种反力是非常容易求得的，但对地面以下的桩受力情况也有影响，较 复杂和主要影响的是路堤自重和路堤上堆载和流动荷载对桥台桩基产生附加竖 向压力和水平压力，而且容易使得桩发生桩身弯曲、开裂；桩帽开裂，因此工 程设计时特别需注意的就是这种影响。许多工程竣工后出现这样那样的问题， 基本上多为第2 种情况引起的。因为路堤上流动荷载是工程在使用阶段产生的， 并变化情况比较复杂，加上随着时间的推移，路堤土的固结下沉，软土地基填 土的侧向移动等土体的变化是设计阶段很难百分之百考虑全面的。 既然软土地区高填土对桩基作用和影响肯定存在，虽然我们设计时不能非 常准确地计算出来，但是我们应该通过不断地研究和结合工程实际情况，在理 论上找到一个比较合理的计算模型进行计算和设计。也正是由于这种原因，在 接下来的章节，我将对高填土对桩基的产生的附加作用力作一些定量的阐述； 和重点讨论多层地基中侧向受荷桩力学模型。 9 第三章高填土路堤对桥台桩基作用的研究 3 1 引言 第三章高填土路堤对桥台桩基作用的研究 桥台桩基穿过下卧软土层时，由于桥头路基填筑引起软土侧向变形，使桩 身承受侧向土压力，它对桩的水平位移和弯曲变形具有重大影响。m a t s u it 1 0 l 根 据桩问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。考虑了桩径、桩间距和土性参数对侧压力的影响，适用于桥台桩基的情 况。但是，利用公式所计算的侧压力的发挥程度与下卧软土的变形大小有关， 因此，要充分利用下卧土体的实测变形资料来分析桥台桩身的受力状态。沈珠 江( 1 9 9 2 ) 1 1 1 】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。在以后的研究中他又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。假设土层无限广 阔并沿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 只能用于计算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。目前，桥头路堤下卧软土侧向变 形引起的桩身土压力定量分配方面有以下几种方法： ( 1 ) w a l l a y s m 【1 2 1 提出了一个计算桩身最大弯矩的半经验方法，假设作用于 软土层内的桩上侧向土压力呈矩形分布，同时指出了桩上的侧向土压力荷载是 由软土的水平向固结和蠕变引起的。该法只能得出桩身最大弯矩，不能求出弯 矩随深度的变化情况，而且由于方法过于简单，计算偏差较大，在实用上受到 一定的限制。 ( 2 ) t s c h e b o t a r i o f f g p l l 3 l 总结了前人对桥台桩的研究成果，建议当桥台结构 的稳定安全系数小于1 5 时，在桥台桩设计中必须考虑桥头路基填土产生的附加 水平侧压力，基于在普林斯顿大学的模型试验和新泽西州的现场试验成果，假 设作用于软土层内的桩上土压力呈三角形分布。还建议，当土堤荷载小于3 s u ( 对 应的安全系数为1 n 时，桩上侧向土压力可忽略不计。该方法虽然很容易地得出 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 第三章高填土路堤对桥台桩基作用的研究 应力传递机理也没有搞清楚。 0 1p o u l o s 1 4 1 提出了弹性土体中单桩的有限差分边界元分析方法，假定桩周 土体为均质弹性介质，其应力和变形满足弹性半无限体内作用有水平力的 m i n d l i n 解答，土体变形模量和屈服应力沿深度线性变化，而土体中的桩被简化 为简单的弹性梁，满足梁的挠曲微分方程，然后通过桩土接触面上的应力平衡 求解桩的挠度和内力。p o u l o s 的方法考虑了土体的连续性和性状随深度的变化 情况，得出了单桩计算的各种图式，并考虑了桩的刚度、边界条件、土的屈服 等的计算图式，与现场实测结果进行了比较。则采用弹性地基梁解析法利用桩 的挠曲微分方程来求解竖向荷载作用下曲桩的变形和内力。由于李国豪的方法 是将土视为弹性土，所以该方法只适用于土体发生小变形的情况，当土体水平 位移较大时，会得出不切实际的结果。p o u l o s 的方法由于设定了桩周土极限侧 压力，相当于视土体为理想弹塑性体，因此，即使在大变形的情况下，结果也 较为准确。在p o u l o s 方法的基础上考虑了群桩影响，采用有限元与有限差分相 结合的原则，对横向土运动作用下的群桩工作性状，产生群桩效应的临界桩距、 桩数及排列、桩项边界条件等影响因素作出分析，并对沿桩排的应力分布作出 初步探讨。 ( 4 ) b o u r g e s 等和b i g o t 等用非线性弹簧模拟土体，即采用p - y 曲线法分析 桩土相互作用，并编制了单桩的计算程序。b i g o t 等通过输入实测土体自由位移， 计算桩的弯矩和位移，得到的结果与实测值非常一致。朱桐浩等在该法的基础 上，采用转移矩阵导得了适用于多层地基的数值解法。李仁平等以沿海地区某 桥梁工程为例，运用p - y 曲线法，研究了软基中桥头路基对附近桥台及其桩基 受力性状的影响。该法必须已知无桩时土体自由侧向位移分布，然后把这位移 叠加到桩上，最后得出桩的弯矩和位移分布情况。尽管土体的竖向沉降容易估 算，但精确估算土体水平位移却相当困难，这使得上述方法的应用受到限制。 ( 5 ) s t e w a r tdp p 】分析了离心模型和现场试验成果，把桩身最大弯矩以及桩 头水平位移与桩土相对刚度的关系在双对数坐标上表示出来，通过曲线拟合提 出了两个计算桩身最大弯矩和桩头水平位移的方程。由于推导方程的数据来自 于离心模型和现场试验，面试验中假定桩顶自由和桩帽高于地面，造成其计算 结果比实际的偏小，因此，在实际桥台桩的设计中，不能应用此法。 ( 6 ) s p r i n g m a nsm 【1 5 】运用一个简单的塑性变形机理来确定软土层中桩土相 对位移，假设作用于软土层内的桩上侧向土压力呈双曲线分布，该法考虑了桩 1 l 第三章高填土路堤对桥台桩基作用的研究 土之问的差异位移，软土层下部桩的性状用r a n d o l p h 提出的柔性长桩的方法来 模拟，该方法可以得出桩身弯矩和位移分布。但是，当相对桩土刚度很低时， 此法不再适用，为此，需对此法进行修正。修正后的方法可以更好地描述桩群 的性状和全面地考虑路堤土桩的相互作用，最终计算出桩身最大弯矩和桩帽偏 移量，将具有非线性应力应变特性的高岭土作为路基软土的计算结果与离心模 型试验进行了对比，二者吻合很好。然而还需要对更复杂的路堤几何形状、边 界条件、软土性质和不同的桩间距进一步验证此法的有效性。 3 2 高填土路堤及路堤上荷载对桥台桩基产生附加应力 理论和实践都证明，在台后填土荷载的作用下，桥台地基或多或少都将发 生侧向位移。地基好的，侧向位移小些；地基差的，如软土地基，其侧向水平 位移则比较大。但地基中如有桩基的存在，地基的侧向位移的形态将作改变。 因为桩基是有较大刚性的构件，当地基侧向位移时，必将遇到桩基的阻碍。阻 碍的结果，对地基来说，侧向位移在桩基附近有所减小；对桩基来说，本身将 承受与地基侧向位移同向的水平力。这个水平力就是桥梁台后填土因侧向位移 对桩基产生的附加水平力。 从附加水平力的概念可知，附加水平力有以下特性： 具有运动力的特性。理论上讲，地基一旦发生水平位移，桩基便产生附 加水平力，且大小也由地基水平位移所决定，地基的水平位移越大、越快，其 值相对越大； 水平力同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，水平力也越大。 水平力的方向和地基水平位移的方向一致。在现行的桥规中，没有明确 提出这个附加水平力，但对软土地区，因地基侧向位移较大，桩基承担的附加 水平力相对也较大，对桩基受力不利，特别是对梁板尚未架设的桥台来讲，除 了地面线以上的土压力外，这个附加水平力是桥台所承受的较为主要的一个力。 3 2 1 高填土路堤自重产生的附加应力 路堤自重附加应力是指建筑物的荷重在土体中引起的附加于原有应力之上 第三章高填土路堤对桥台桩基作用的研究 的应力。 3 上l 1 地基竖向附加应力的概念 地基竖向附加应力在计算群桩实体基础沉降时，是按照b o u s s i n e s q 解，利 用b o u s s i n e s q 公式得到了地基内矩形面积荷载作用下角点竖向附加应力的解析 式【1 q ： plb l z ( b 2 + r + 2 2 2 )肚 l o z 。磊l 面五丽i 孬面意+ 嘴磊荠享矛l 2 厢i p 2 + z 2 ) a 夕+ z 2 ) 口2 + r + z 2 vz 口2 + r + z 2 i p 荷载集度( k p a ) ； 曰、工分别是矩形面积的宽度和长度； z 一地基中矩形面积角点下任一点深度( m ) ； 同样可以用来计算路堤上矩形荷载作用下附加土压力。 桥台填土重量对桥台地基产生的附加压力也可按此计算方法进行，桥台填 土若是属于平面问题，则按后面探讨的方法计算。上面的方法中台后填土对桥 台基底位置产生的附加压力： 只- 口1 v h l 桥台锥体土的重量对桥台前缘下地基土产生的附加应力 p 2i i 口2 v h 2 总压力按荷载引起压力与相应边缘的附加压力之和确定。 以上两式中： 暑一台后填土对桥台基底位置产生的附加压力( k p a ) ； 爿一桥台前缘下地基土产生的附加应力( k p a ) ； r 一填土的计算容重( j 酬历3 ) l l 一填土高度； h 2 基础前缘上方的锥体高度( m ) ； 口1 、口2 一折减系数。 3 2 1 2 填土自重产生的附加水平土压力 在桥台桩基中，台后填土引起的水平土压力在地面线( 或承台底面) 以上 按主动土压力进行计算，这在土力学原理中是很明确的。假定桥头路堤填土为 地面以上一条形的一端为无限长的均布荷载，则其对地基各土层产生的土压力 第三章高填土路堤对桥台桩基作用的研究 可借用对条形基础的分析方法来进行分析。荷载未加时以前，各土层仅受土的 自重压力( 即原存压力) 的作用，压力分布规律是上大下小的三角形。在加上 填土荷载之后，填土荷载压力是从地面线向下扩散，其分布规律是上小下大的 三角形。原存压力引起的水平力在桩基前后都处于平衡状态，填土荷载是在桩 基施工完成以后才施加的，它在土中产生了附加压力。所以，要计算的只是填 土荷载引起的水平力，是上大下小的三角形。这样借用对条形基础的分析方法， 地面以下深度为z 处的附加水平侧压力【1 7 1 为； i 亭吼 其中亭i h 0 一球) 式中：亭侧压力系数，在无实测资料时可参用表3 1 ； h 地基土的泊松比，随土壤种类及状态而定； 盯。一台后填土对距地面深度z 处产生的附加竖向压力。按3 2 2 2 节 路堤产生梯形荷载作用下附加压应力的计算方法计算。 表3 1 亭，“经验系数取值 土 类 圭 砂( 密实) o 3 m m 4 00 4 3 - - 0 6 7 砂( 松散) 0 2 0 m 3 5o 2 5 加5 3 细砂( e = 0 知_ o 7 )0 2 5 0 3 3 粗砂( e 神4 加。7 ) o 1 5o 1 8 粉土 o 3 0 m 3 5o 4 孓旬5 3 粘土( 湿的)o 1 0 巾3 00 1 1 加4 3 粘土( 砂质的) 0 2 0 - o 3 50 2 5 加5 3 饱和粘土和粉土 0 4 i 瑚5 00 8 2 - 1 冰渍士( 湿的)0 2 m m 4 0 o 2 5 - 0 7 5 黄土 0 1 m 田3 00 4 3 - 0 5 3 3 2 2 路堤上荷载产生的附加土压力一布西奈斯克( b o u s s i n e s q ) 的解应用 地面以下深度为z 处的附加水平侧压力【1 s , 2 6 1 可以对单元微分体的附加土压 1 4 第三章高填土路堤对桥台桩基作用的研究 力进行积分求得。 3 2 工l 竖向集中力作用下土体中的应力计算 图3 - 1 所示均质的各向同性的线性半空间表面上作用一集中力p ，在线性变 形体内任何点m 的应力分布的弹性理论公式，已由布西奈斯克( b o u s s i n e s q ) 于 1 8 8 5 年解出，见式( 3 - 1 ) ，( 3 2 ) ，( 3 3 ) ： y p 、x 心7 ，：移肘 、 图3 1 集中荷载下半无限体中某点的应力图 3 p z 3 吒。面 3 p z 2 y 巳。五万 3 p z 2 工 k 。面r 0 9 ( 3 一刁 o 一习 3 2 2 2 平面问题 在半空间体表面上作用了宽度有限、长度无限的分布荷载时，如荷载长度 方向分布相等，则截取垂直于长度方向的任何截面，其上的分布应力均相同。 第三章高填土路堤对桥台桩基作用的研究 因此，只要研究任何一个截面上的分布应力就行，这种问题称为平面问题。 实际上分布在无限长度上的均布荷载是不存在的。一般认为当荷载分布长 度( ) 大于或等于宽度( 君) 的1 0 倍对，土中应力就相当接近于言- * 时的应 力，所以可以把路堤作为平面问题。 1 线