时间：2022-04-25 08:39:46
摘 要：桥台后高填土十分常见，由于填土较高，随时间发生的下沉、变形，导致整体强度减弱，从而影响附近桥梁结构的稳定性和安全性。本文以实际某连续钢构桥为背景，采用ABAQUS有限元软件对该连续钢构桥的7号桥墩进行接触非线性分析，研究了桥墩裂缝出现的原因，分析了桥墩、桩基和承台的损伤机理及土体的重度和弹性模量等因素及原地形条件分别对桥墩的影响，并主要关注桥墩各点的水平位移和应力计算结果的变化规律。
关键词：高填土；桥墩；固结沉降；侧向位移；状态非线性
0 概 述
弃土现象在实际工程中非常普遍，这些弃土会对桥墩一侧产生不平衡土压力，桥墩既承受竖向荷载，也承受水平荷载、斜向荷载或力矩等，因而可能产生较大的侧向变形，直接影响着桥墩的稳定性1。一般而言，土在不稳定状态时，引起的土体侧移比土体竖向沉降更为危险，尤其是对混凝土桥墩，因为桥墩的水平荷载承受能力在设计时并没被考虑，所以研究填土作用下桥墩的损伤机理，及填土对全桥安全性能的影响是至关重要的2。
1 高填土对桥墩的作用机理
高填土的作用相当于在原地基土上施加一荷载，而这一荷载在增加竖向荷载的同时还会对地面以上的桥墩产生水平推力。地面填土对邻近桩的影响是一个复杂的问题，主要表现在以下两个方面：1、填土的不稳定状态导致土体有沿原地面向下滑动的趋势，挤压桥墩，从而使桩产生附加的桩身位移和弯矩，甚至剪切破坏。2、填土引起桥墩周围土体的固结沉降变形，土体产生相对于桩的向下位移，在墩身产生向下的负摩擦力，增加了桥墩的轴向荷载并产生附加沉降，往往会造成不均匀沉降，这对于上部结构是不利的3。
2 某连续钢构桥7号桥工程概况
某连续钢构桥，桥面中心高程220m，桥面全宽20m，行车道净-15m，人行道2×2.5m，该桥为三孔120m带两边跨75.40m的钢管砼组合桁架连续钢构桥， 桥梁总体布置见图2-1。
该连续钢构桥7号桥墩位于苎溪河综合治理工程中的天仙湖12号地块护岸工程K0+678处，7号桥墩形式为H型钢筋混凝土结构，采用嵌岩桩基础型式，基础持力层为中等风化的基岩。7号桥墩的南西侧为三级护岸边坡，7号桥墩由于卸载而形成凹状地形。场地地势总体为北东高南西低，主要为人工填土、残破及粉质粘土、冲洪积砂卵石土和侏罗系中统上沙溪庙的地层。场地土层厚度大，结构松散，工程地质条件差，地下水丰富，水文地质条件中等复杂。
3 模型计算及实际病害分析
根据某连续钢构桥7号桥墩，中间横系梁高0.8m，墩高62.408m，承台尺寸13.5m×10.5m×3.5m，承台下面是长24.5m、直径为2m的桩基础。模型纵向取200米，横向取200米对高填土进行建模计算。
在模型计算中只考虑高填土和重力对桥墩的作用，上部结构的竖向荷载作用不予考虑。从桥墩桩土MISES应力图上可以看出最大应力位于7号桥墩右侧薄壁墩与承台交接的位置，最大值为14.36MPa。
从桥墩桩土、桥墩桩水平位移可以看出承台及桩基础的位移很小，但桥墩的位移较大，最大值为12.54cm，这与7号墩存在裂缝敲好吻合。而7号墩的最大实际观测位移为11.91cm，计算结果与实际观测值接近。在高填土作用下桥墩的偏位达到了12.54cm，说明高填土对桥墩偏位影响很大，是造成桥墩偏位的主要因素。桥墩最下面的横系梁处左右两侧竖向薄壁墩水平位移不一致，变形不协调，导致横系梁长生裂缝等现象。承台应力分布不均匀，最大应力集中在与上部桥墩的连接位置，最大应力值为8.66MPa。这种应力集中的现象造成承台开裂，7号墩的病害观测结果也证实了这一点。
4 土体计算参数分析
影响桩土作用的因素很多，诸如土体堆载的几何形状、高度、填土的材料参数、原地形的形状、桥墩的桩径以及所建立的有限元模型等。要准确地分析桩在高填土作用下的受力损伤机理，就必须分析这些因素对桩土作用的影响程度。本文利用ABAQUS有限元软件分析各种土体参数和原地形条件等对桩土作用的影响，探讨对桥墩水平位移及应力的影响规律。
本文土体材料本构模型均采用扩展的Mohr-coulomb模型，在扩展的Mohr-coulomb模型中涉及到两个参数，分别是土体容重γ和弹性模量E。在这里对各个因素进行分析。
4.1 土体重度的影响
土体容重依次取为10kN/m3、20kN/m3、30kN/m3，分析不同的土体容重对桥墩产生的影响。
桥墩主应力，水平位移随着土体容重的增加而增加。这是由于当土体容重增加时，下层土体的竖向荷载会增加，土体侧向变形会增大，土体的下滑趋势更大，桥墩的阻滑力相应地也会随着增大。土体容重增加，桥墩受到的土压力也会增加4。
4.2 土体弹性模量的影响
土体的弹性模量依次取为：10MPa，20MPa，30MPa，分析不同的土体弹性模量对桥墩产生的影响。
理论上，弹性模量越大，土体的侧向变形越小，桥墩受到土压力越小，水平位移越小；相反地，弹性模量越小，土体的侧向变形越大，桥墩受到的土压力越大，桥墩的水平位移越大。从有限元软件模拟的结果可以看出，随着弹性模量的增大，桥墩的最大主应力减小，水平位移也减小。由此说明模拟的结果与理论相一致5。
5 结语
本文先介绍了高填土对桥墩的作用机理，然后从工程实例出发，利用ABAQUS有限元软件对某桥7号桥墩进行了状态非线性分析，并与7号桥墩的实际病害进行了对比。从土体容重γ和弹性模量E等方面找到了它们对桥墩的主应力和水平位移的影响规律。
参考文献
1 刘建武，韩敦赞，李非，焦臣.土压力作用下桥梁桩柱的受力分析及应对措施[J].公路交通科技（应用技术版）， 2011，75（3）： 60-63.
2 梁发云，于峰，李镜培，姚国圣.土体水平位移对邻近既有桩基承载性状影响分析[J].岩土力学，2010，31（2）：449-454.
3 姚国圣.土体侧移作用下既有轴向受荷桩性状模型试验及数值分析[D].上海：同济大学，2009.
4 黄龙显，杨虎根.填土中的钢筋砼箱形变截面桥墩受力分析[J].重庆交通大学学报.2006， 8： 44-48.
5 刘成宇.土力学（第二版）[M].中国铁道出版社 .1990.