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摘要：根据果园大桥护筒施工实际情况，对于土体回填对桥墩安全影响评估，采用岩土通用有限元程序MIDAS/GTS，主要分析分层填筑碾压时，护筒局部最大变形、护筒筒壁应力。
关键词：桥墩；桥墩护筒；土体回填；安全评估
0 引言
果园大桥位于上桥至界石高速公路大山村改线 K16+867~ K17+057 段。桥位区为浅切丘陵地貌，桥位区地质面层为0~3.7米厚粉质黏土，下覆基岩为泥岩、砂岩。桥位区无不良地质现象。该桥桥孔布置为11×30m预应力简支 T 梁，全长 350m。该桥位于i1=1.223%及i2=2%的竖曲线内。桥梁设计荷载：汽车超-20，挂车-120，设计洪水频率 1/100。
桥梁分左右两幅设置，桥梁全宽 31m，桥面布置为 0.25m（外侧防撞栏杆）+14.25m（车行道）+2m（分隔带）+14.25m（车行道）+0.25m（外侧防撞栏杆）=31m，防护栏杆随线形弯修。上部结构半幅由 7 片带马蹄的 T 形主梁通过横隔板组成，湿接缝 0.56m。T 形主梁高度 2.0m。主梁横隔板均留有孔洞，横隔板的连接采用钢板焊接。支座采用矩形橡胶支座和四氟滑板支座，全桥共设置六道伸缩缝。桥面铺装采用 13cm 厚的 C40 防水混凝土。下部结构采用带盖梁的桩柱式桥墩，桥墩直径 1.8m，桩基直径 2.0m。墩柱之间设置系梁，系梁尺寸 1.2m×1.5m，同时桩顶设置系梁，尺寸为 1.2m×2.0m。桥墩桩基为人工挖孔桩，桩基嵌入弱风化岩层深度大于 2.5 倍桩径。相关图纸详见图1~2。
图1果园大桥立面图
图2 果园大桥现状（断面图）
图3桥墩保护方案横断面示意图
嘉道•狮子山花园项目西侧高速路绿化隔离带景观工程位于上界高速K17+359 果园大桥周围。本工程在既有果园大桥位置需平场至标高 225m。由于现状地面标高部分低于 225m，本工程实施后，果园大桥 1~8 号桥墩均填筑。根据测量，6号桥墩填土深度最大，为17.8m。为确保桥墩在回填土施工过程中安全，将回填土对桥墩的影响降低到最小，采用了下述措施对桥墩进行保护：
1、桥墩周围设置环形钢筋混凝土护筒，护筒与桥墩间为80cm隔开空间。这种护筒的设计理念为：通过护筒的设置，可以保证，当护筒没有发生断裂、倾倒或过大变形时，桥墩完全不受回填土影响；护筒如图3所示。
2、桥墩周边土体（保护范围：桥下及桥梁边线左右各30m范围）采用均匀分层回填压(夯)实，分层厚度不宜大于30cm，回填土密实度不小于90%，护筒基底承载力不小于200kPa。
3、土体回填前，在桥墩四周分层设置护筒。护筒采用钢筋混凝土，桥墩保护示意图如3-2、3-3所示。护筒采用变截面形式，高度在2m以下护筒内径1.7m，外径1.95m，壁厚25cm；高度在2m～8m之间，护筒内径1.7m，外径2.0m，壁厚30cm；高度在8m～13.5m之间，护筒内径1.7m，外径2.2m，壁厚50cm；高度超过13.5m护筒内径1.7m，外径2.3m，壁厚60cm。
4、护筒采用分层浇注，浇注高度应高于每次回填高度50cm；
5、护筒外袋装砂卵石分层回填保护；
6、护筒顶部设置防撞护栏。
7、桩（墩）间横系梁应设置钢筋混凝土保护结构，避免回填土直接作用在系梁上间距为20cm，具体如图4~5所示：
图4 桥墩系梁保护结构立面图
图5 桥墩系梁保护结构断面图
1 分析模型
1.1模型概况
本次计算按均匀回填并根据前述保护方案进行模拟，根据回填高度选用6号桥墩护筒作为分析对象，并且在模型中考虑双排护筒，用弹塑性空间有限元工具对其进行分析，评价平场施工方案中护筒结构的安全风险。弹塑性空间数值分析采用通用有限元程序MIDAS/GTS进行。
模型长×宽为90m×60m，模型初始应力状态按实际地表挖去马蹄基础后的原始地表模拟，控制原地面基础底部21.2m。模拟两排护筒，每排护筒4个，单个护筒长度为19.0m，护筒底距模型底部21.7m，并埋置于原地面以下0.5m。模型边界条件底边为竖向位移约束，两侧及前后为水平法向约束，模型顶面为自由面。平场按每2米一层回填考虑（顶部一层按照1.8m高度）。最高填土时护筒两侧考虑0.5m填筑高差，碾压机械在护筒破坏棱体（车辆影响范围）内考虑20T以内小型静力式夯实机械。
1.2 模型材料参数
表1 模型材料参数表
1.3 分析工况（填筑方式、机械位置及重量）
工况一：护筒底部原状土作为初始应力状态
工况二：浇筑钢筋混凝土护筒
工况三：回填护筒埋深原状土
工况四～十一：按每层2m分层填上部砂土
工况十二：护筒两侧填土0.5高差，两排护筒之间填土1.3m，护筒外侧填土1.8m，在护筒填土较高侧将机械荷载以压力荷载形式施加。
1.4 模型图式
根据平场标高与既有结构的空间关系，并考虑实际地形和地质情况的影响建立以钢筋混凝土护筒和周围岩土为研究对象的三维空间弹塑性有限元模型，如图6~7所示。
图6 计算模型图 图7 模型护筒分布图
2模型结果
2.1 护筒验算结果
护筒在工况十二后为整个结构最不利的状态，应力状况及变形情况如下图所示。
图8护筒主拉应力（MPa）图9护筒主压应力（MPa）
图10护筒纵桥向位移（mm）图11护筒横桥向位移（mm）
根据图8～9可知：最后一层1.8m填土并考虑0.5m填土高差后，护筒最大主压应力为4.28MPa，位于护筒底部。护筒拉应力值达到1.74Mpa，同样位于护筒底部，均未超过材料的允许强度值。根据图10～11知：最后一层1.8m填土施工并考虑0.5m填土高差时将导致护筒产生不同方向的位移，X 方向（纵桥向）最大位移8.02mm，Y 方向（横桥向）最大位移110.79mm。
2.2 横系梁验算结果
由于高填土范围内包括桥墩间横系梁，因此，护筒将涉及对横系梁的保护及影响。图12、13为前述工况七和工况十二下的护筒竖向位移值。由于护筒在每个工况加长，因此回填过程中护筒在各回填工况下，唯一完全埋入回填土中的墩间系梁为6号墩左幅系梁，其顶部标高为223.24m，系梁高2m，系梁护筒标高应在回填标高至217.7~219.7左右浇筑。即为上述计算工况中的工况七。
工况十二与工况七这间的竖向位移差值即为系梁护套浇筑后在回填施工过程中最不利工况下的变形值，其值为444.296mm-244.533mm=199.763mm，即桥墩护筒及系梁护套相对桥墩发生了199.763mm的竖向向下位移。
同时考虑桥墩最大X 方向（纵桥向）最大位移8.02mm，Y 方向（横桥向）最大位移110.79mm，Z 方向（纵桥向）最大位移199.763mm。计算系梁护套在浇筑后与系梁间的最大空间位移量。
大于护套与系梁间隙20cm，表明，系梁护套在回填施工过程中，随护筒沉降变形，其最大位移大于护套与系梁间的保护间隙，系梁将会受到由于回填产生的不利受力影响，因此有必要将保护空隙加大。
图12 工况七 护筒竖向位移（Zmm）
图13 工况十二 护筒竖向位移（Zmm）
3 分层填筑施工过程分析结论
1）果园大桥桥墩范围内填筑土体分层填筑过程分析时，考虑其上作用20T以内中小型碾压机械，护筒两侧填土最大高差为0.5m时，最不利桥墩护筒最大纵桥向位移为8.02mm，最大横桥向变形为110.79mm，最大护筒拉应力为1.74MPa，最大护筒压应力为4.28Mpa，分析表明，桥墩护筒在分层填筑平场过程中，钢筋混凝土桥墩护筒的强度、刚度及裂缝等满足规范要求，在上述最不利荷载下，最不利桥墩护筒没有发生过大变形及结构破坏，因此，在按照设计要求进行分层填筑时，分层填筑平场过程对桥墩结构没有产生安全影响。
2）墩间系梁在钢筋混凝土护套的保护下，护套回填过程变形大于护套与系梁间的安全空隙距离，系梁会受到护套及填土作用，因此有必要将保护空隙加大。
3）评估分析认为，本工程采取的桥墩保护方案可以有限的保护果园大桥各桥墩，由于桥墩墩间系梁结构保护空隙较小，分层填筑平场过程对桥墩墩间系梁结构产生安全影响，建议将保护空隙加大至30cm。
参考文献
[1]中华人民共和国标准.普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 50081-2002)[S].北京:中国建筑工业出版社,2002 .
[2]中华人民共和国国家标准.混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[3]中华人民共和国标准.混凝土结构设计规范(GB 50010-2010)[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
论文作者:陈扬
论文发表刊物:《基层建设》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/9
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