高速公路既有路堤受橋梁施工影響的分析

周志林

(四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，四川成都 610041)

1 工程概況

某鐵路橋梁跨越既有高速公路，采用68 m+120 m+68 m連續梁跨越。其中5號梁的大承臺邊緣由高速路堤邊坡腳向內延伸0.55 m，具體見圖1。橋梁施工對既有高速公路路基影響較大，為確保既有高速公路路堤安全，采用有限元分析橋梁施工時是否采取加固措施，路基沉降以及影響范圍。

2 有限元分析模型

2.1 計算模型

以該橋梁整個施工過程為實例建立三維有限元計算模型，模型裝配見圖2。

1)假定開挖過程歷時較短，采用總應力法分析，因施工采用機械施工，群樁基礎施工速度快，故不考慮土的固結和滲流的影響。2)模型僅考慮基坑外的地表的沉降與橋梁的沉降，因而把橋梁的自重與施加在橋梁上的荷載轉化為均勻荷載施加在承臺上。3)樁基之間的距離為4 m，為了簡化模型的計算，土體與承臺寬度只取2 m，抗滑樁與樁基取一半，且在計算橋梁沉降時不考慮回填。4)高速公路活載參照《公路橋涵設計通用規范》中的公路—Ⅰ級車道荷載取值為10.5 kN/m2。

圖2 模型裝配圖

2.2 單元類型與計算參數

模型所有土體與承臺結果復雜，采用C3D4(四節點線性四面體)單元;抗滑樁、樁基采用C3D8I(八節點線性六面體，非協調模式)單元更好的模擬變形，模型單元總數為12 693。抗滑樁和樁基與土體之間設接觸面，接觸面法向采用硬接觸，切向采用摩擦系數0.50，離散化方法采用面對面離散。

3 計算結果與分析

為研究抗滑樁對高速路堤的保護效果，利用上文有限元模型分別對是否設置抗滑樁的兩種情況進行計算。

3.1樁基開挖對高速路堤路面的影響

樁基開挖完成時是否設置抗滑樁高速路堤路面的沉降量、水平位移見圖3，圖4。從圖3可以看出，沉降量出現負值，說明在樁基開挖階段高速路堤出現隆起趨勢，而且設置抗滑樁時隆起的量比不設置抗滑樁的隆起量大，其原因是考慮地應力，樁基開挖使得地應力減小，在未設置抗滑樁時，路堤本有一定的沉降量，兩者相互抵消，則出現該情況。從圖4可以看出，在未設置抗滑樁時，路堤的水平位移呈線性關系，而設置抗滑樁對路堤水平位移有減小作用，但因在該階段不設置抗滑樁時水平位移就不大，所以這種減小趨勢不是很明顯。從兩幅圖總體來看，在該階段兩種情況下的隆起最大值都不大于5 mm，水平位移量也不大于3 mm，而且是否設置抗滑樁的區別不是很明顯，其原因有二:1)樁基開挖沒有伸入路堤邊坡，尚未直接破壞路堤邊坡;2)樁基開挖面積小，開挖半徑0.75 m。在這個施工階段是否設置抗滑樁，樁基的開挖對高速路堤影響也不足以產生裂縫。

圖3 樁基開挖時是否設置抗滑樁路堤沉降對比圖

圖4 樁基開挖時是否設置抗滑樁路堤水平位移對比圖

3.2 基坑開挖對高速路堤路面的影響

在基坑開挖這個施工階段，未設置抗滑樁在0 m處沉降量最大，達到46.67 mm，而設置抗滑樁時最大沉降量3.72 mm。當未設置抗滑樁，該階段對路堤的影響范圍達到6 m左右，6 m以后對路堤幾乎沒有影響。在該階段未設置抗滑樁時，對路堤的影響范圍達到8 m，發生最大水平位移在2 m處，達到53.88 mm，而設置抗滑樁時，最大水平位移不大于14 mm。顯而易見，在基坑開挖階段，是否設置抗滑樁產生的影響的區別很顯著，未設置抗滑樁將破壞高速路堤路面，在路面上會產生裂縫，嚴重影響路堤路面使用功能;設置抗滑樁可以顯著減小高速路表面沉降和水平位移，起著保證路堤穩定性效果。該階段對高速路堤的影響如此大其原因是，承臺的大面積開挖，且此時已伸入路堤邊坡，嚴重破壞了路堤邊坡，此時應預先采取一定保護措施，否則將嚴重破壞路堤的穩定性。

3.3 樁基與基坑開挖抗滑樁承載力比對

抗滑樁在樁基與基坑開挖兩階段應力都是隨著抗滑樁深度增加而加大，達到14 m深度左右位置增加到最大，然后隨著深度增加應力反而減小。在基坑開挖時，最大應力達到6.26 MPa，而且基坑開挖階段最大應力大約是樁基開挖階段的2倍。綜上所述，在設計抗滑樁強度和埋置深度時要按基坑開挖階段進行，保證抗滑樁要有足夠的強度以及埋置深度，埋置深度需要大于14 m，再考慮需要一定的深度來緩沖該工程情況20 m最為合適。

3.4 橋梁施工過程樁基與樁間土沉降

隨著樁基深度加深，樁基、樁間土的沉降量都隨著減小，樁基呈線性減小，樁間土因各深度地質情況不同而非線性減少。在樁基深度14 m前，樁間土沉降量大于樁基沉降量，即在這段深度樁基受到負摩擦力，因這段深度土質較差。可見樁基深度達到14 m后，土體才賦予樁基摩阻力。當達到24 m以后，樁間土沉降量不大于1 mm，而且趨于漸漸平緩趨勢，這是因該深度以后土質變得堅硬。樁基、樁間土在樁端處，沉降量都不大于0.5 mm，樁基沉降量略大，但不大于0.1 mm，可見該樁基是摩擦樁。

3.5 橋梁施工過程樁基與樁間土應力

橋梁施工過程樁基與樁間土應力隨著深度加深呈線性增加，而樁基應力隨著深度加深先增加，再減小，4 m～24 m這段深度基本保持平衡，都在5.1 MPa左右，24 m以后逐漸減小，在樁基的樁端處3.18 MPa。樁基與樁間土的應力差數十倍。綜上所述，說明承臺、上部結構的自重及荷載主要靠樁基來傳遞給下層持力層。樁基必須有足夠的強度及埋置深度。

4 結語

1)橋梁施工前必須先采取有效措施保護臨近建筑設施，避免對臨近建筑物穩定性破壞。2)在施工時設置抗滑樁可以作為一種保護臨近建筑設施的措施，滿足工程需要。3)抗滑樁強度及埋置深度都應滿足工程要求，在抗滑樁設計時要以基坑開挖階段進行考慮。4)有限元理論分析在巖土中預測沉降效果顯著，值得參考。5)樁基在一定深度范圍內會產生負摩擦力，主要由堅硬的下層土質來賦予樁基摩阻力。6)上部荷載主要是靠樁基傳遞到持力層，樁基強度與埋置深度一定要滿足要求。

［1］張治國，黃茂松，王衛東.鄰近開挖對既有軟土隧道的影響［J］.巖土力學，2009，30(5):1373-1379.

［2］翟杰群，賈 堅，謝小林.隔離樁在深基坑開挖保護相鄰建筑中的應用［J］.地下空間與工程學報，2010，6(1):162-166.

［3］李大勇，龔曉南，張土喬.軟土地基深基坑周圍地下管線保護措施的數值模擬［J］.巖土工程學報，2001，23(6):736-740.