104國道連江至晉安段改線工程軟基堆載對臨近沈海高速公路橋梁樁基的影響分析

■史嵩松(福建省交通規劃設計院，福州　350004)

104國道連江至晉安段改線工程軟基堆載對臨近沈海高速公路橋梁樁基的影響分析

■史嵩松
(福建省交通規劃設計院，福州350004)

摘要本文采用有限元軟件對104國道連江至晉安段改線工程填方路基(無樁基處理)段對并行沈海高速公路的影響進行計算，分析了堆載規模、堆載距離、軟基參數等對橋梁樁基的影響。

關鍵詞軟基堆載橋梁樁基有限元分析

1　前言

福建省地處我國東南沿海，多沖洪積溝谷區、沖海積平原區地貌，下臥較厚的軟弱土層。工程中常常由于在軟基上隨意堆載超載引起地面下沉，使相鄰橋梁樁基產生水平偏位，從而引起橋梁結構功能失效甚至引發事故。因此，研究軟土地基堆載下對鄰近橋梁樁基的影響具有重要意義。本文在前人研究的基礎上，采用Geo-studio有限元軟件對104國道連江至晉安段改線工程填方路基(無樁基處理段落)對并行沈海高速公路的影響進行計算分析，為實際工程提供參考依據。

2　概述

2.1工程概況

新建104國道連江至晉安段改線工程K4+680～K15+019.05段落位于福州市連江縣、馬尾區境內。經過的主要鄉鎮有連江縣瑖頭鎮、馬尾區亭江鎮。

本路段與沈海高速公路并行，長約10.3km，扣除樁基處理段落約1.7km，扣除橋梁段落，剩余路基段落約1.0km。根據《福建省公路路政管理條例》，高速公路兩側隔離欄外緣外30m范圍內均為建筑控制區，104國道連江至晉安段改線工程K4+680～K15+019.05段落均在沈海高速公路建筑控制區域范圍內。由于相距較近，該段落填方路基(無樁基處理段落)對并行沈海高速公路將產生較大的影響，為此本文進行了分析。

2.2場地地質

場區屬于沖海積平原地貌，地形開闊，地勢平坦，緊鄰線路右側為沈海高速公路。場區未見危害工程建設的活動性構造跡象，區域地質相對穩定。場地上部為粉質粘土，淤泥，淤泥質粘土等覆蓋，其下為燕山期侵入花崗巖，見多層深厚的流塑狀淤泥、淤泥質粘土軟土層，軟土層厚度大，分布廣，可呈多層分布。

本路段地表為厚度1～2m不等的可塑狀粘性土，其下一般為海積、沖洪積粘性土層和砂層透鏡體，其中淤泥、淤泥質土層厚度8～35m不等，且含多層軟土分布。受海積成因影響，軟土層中常可見薄層含砂透鏡體，其工程地質性質差，呈飽和狀態，具有含水量大、高壓縮性、低抗剪強度等特性，路堤填筑時將產生較大沉降及水平位移。

3　路基填方對并行沈海高速公路的影響分析

3.1工程設計參數

并行段路基段落(無樁基處理)設計情況見表1：

如表1所列，104國道連江至晉安段改線工程與沈海高速公路并行段部分段落距離較近，最近的地方距離沈海高速公路3m，為了確保既有沈海高速公路的運營安全，對104國道連江至晉安段改線工程路基(無樁基處理段落)對沈海高速公路并行段安全影響進行分析。

3.2計算模型和計算參數

一般來說，土體在長期堆載條件下，必然產生較大的側向位移，臨近樁基受到地基土側向變形會擠壓樁基，使樁產生撓曲、水平位移甚至剪切破壞，這對于橋梁上部結構是不利的。

針對本工程不同路基寬度高度以及地質各不相同的情況，本文采用Geo-studio有限元軟件，分析沈海高速公路外側路基處理及填土過程，分析沈海高速公路橋梁樁基的位移及受力，對沈海高速公路的橋梁樁基的安全進行評價。以K10+880處斷面為例，如圖1所示，計算范圍130m寬，有限元模型計算網格邊界約束條件采用左邊界、右邊界和底邊界均采用固定約束。由于在模擬過程中考慮橋梁樁基本身尺寸對計算結果產生的影響，不能忽略其尺寸效應，故不采用梁單元，而采用網格單元。在路基和橋梁上分別施加20kPa的車輛荷載。

表1　104國道與沈海高速公路并行段路基

圖1　計算模型

計算中，各土層和混凝土材料均采用線彈性模型，其物理力學參數見表2所示。

表2　各土層物理力學參數

圖2　K6+220斷面總位移云圖(單位：m)

3.3有限元計算結果分析

按新建路基段落外側樁基距離沈海高速公路樁基凈距的不同與地質條件的不同，選取3個典型斷面K6+ 220、K6+960和K11+660，分別代表進行分析。

3.3.1K6+220段

K6+220段路基右邊緣距離橋梁約13m，路基寬度70m，其中左輔道寬14.2m，填土高度約1.6m；右輔道寬8m，填土高度約1.7m；主線為橋梁，寬44.6m，橋下有約1m的填土。軟土較深，軟土厚約36m。

計算結果如圖2和圖3所示，路基最大位移為18.8cm，方向豎直向下，橋梁樁身位移沿樁身方向從上到下呈先增大后減小的趨勢，最大值出現在軟土層約15m的深度處。樁身最大水平位移為3.58cm，最大豎向位移0.09cm，最大總位移約3.58cm，其位移變形滿足橋梁要求。

圖3　K6+220橋墩近側樁基位移圖(單位：m)

3.3.2K6+960段

K6+960段路基右邊緣距離橋梁約9m，路基寬度60m，填土高度約2.1m。軟土較深，軟土厚約24～34m。

計算結果顯示，路基最大位移為29.8cm，方向豎直向下，橋梁樁身位移沿樁身方向從上到下呈先增大后減小的趨勢，最大值出現在軟土層約8m的深度處。樁身最大水平位移為3.23cm，最大豎向位移0.12cm，最大總位移約3.23cm，其位移變形滿足橋梁要求。

3.3.3K11+660段

K11+660段路基右邊緣距離橋梁約3.5m，路基寬度60m，填土高度約2.8m。軟土厚約4～5m。

計算結果顯示，路基最大位移為15.8cm，方向豎直向下，橋梁樁身位移沿樁身方向從上到下呈先增大后減小的趨勢，最大值出現在橋面板處。樁身最大水平位移為1.77cm，最大豎向位移0.07cm，最大總位移約1.77cm，其位移變形滿足橋梁要求。

表3　典型斷面樁基位移計算結果單位(cm)

3.4有限元計算結果比較

三個典型斷面的計算結果如表3所示，K6+220斷面處位移最大，達到3.58cm，K11+660斷面處位移最小，為1.77cm。幾種情況下的樁基位移均未對橋梁樁基產生顯著影響。綜上所述，104國道臨近沈海高速公路的軟土地基上的填土不高的路基段落未采用軟基處理措施時，對既有高速公路橋梁的影響是比較小的，能滿足橋梁的安全運營需要。

考慮到現場的施工水平、降雨等不確定因素的影響，建議加強對橋梁墩臺的樁基沉降、水平位移和深層測斜位移的監測，確保施工期及運營期軟土地區沈海高速公路橋梁的安全。

4　結論

本文通過三個典型斷面的有限元模擬，分析了104國道改線工程軟基堆載對沈海高速橋梁樁基的影響，分析表明，在路基填土高度變化不大的情況下，路基和橋梁的距離盡管在減小，但并沒有對樁基水平位移表現出明顯影響。另一方面，幾個斷面軟土層不斷加厚，其對樁基水平位移的計算結果影響明顯。而本文分析亦表明，本工程對相鄰樁基運營未構成危險，路基無需特殊處理即可滿足臨近橋梁安全運營需求，對工程方案提供了重要的參考依據，節省了工程造價，并可為類似工程提供參考。

參考文獻

[1]陳福全.地面堆載作用下鄰近樁基性態數值分析.同濟大學博士后論文，上海:同濟大學地下建筑與工程系,2003.

[2]楊敏,朱碧堂,陳福全.堆載引起某廠房坍塌事故的初步分析[J].巖土工程學報,2002,24(4): 446~450.