海堤施工對臨近橋墩影響數值模擬研究

劉烽 王曉波

摘 要：基于ABAQUS有限元軟件對某堤穿越甬臺溫高速公路進行了研究，研究結果表明：海堤完工15年后交叉段典型斷面的最大順橋向位移-80.87cm，最大橫橋向位移-38.94cm，最大沉降382.2cm；兩主橋墩中圍區側主橋墩受海堤施工的影響最大，在海堤施工結束時順橋向位移25.56cm，橫橋向位移-10.68cm，沉降3.49cm。兩引橋墩中也是圍區側引橋墩受海堤施工的影響最大，海堤施工結束時順橋向位移-26.14cm，橫橋向位移-8.47cm，沉降0.74cm。

關鍵詞：海堤；橋墩；基樁；有限元數值模擬

0 引言

某堤防位于軟土地基上，當高速公路橋梁與堤防交叉，且施工期較為接近時，地基的固結沉降及土體側向位移會對橋臺樁基產生較大影響。眾所周知，橋樁應力和位移與地基土固結程度、路基填筑速率、軟土流變有密切的聯系。國內外學者針對交叉工程中后建結構物對既有結構物的影響已做了較多研究，如：裴廣超，李金洋，李艷龍針對海堤與高架橋交叉且工期接近的情況，建立了復合樁基模型，研究交叉段沉降對海堤、橋梁橋墩變位的影響，給出建議復合樁基長度，為沿海交通建設和圍墾海堤的建設提供參考。李惠玲基于某沿江高速公路橋樁工程，對拋石海堤進行多種不同形式的軟基處理，對比其基本結構型式及技術特點，確定了擬建海堤的結構型式；并基于有限差分軟件對擬建海堤對高速公路橋墩的影響進行數值模擬。嚴盛強以能量法和駐值定理為基礎，對剛性基礎高橋橋墩墩頂位移進行了深入分析，得到了計算墩頂位移的公式。彭良泉，李盛青采用有限元方法分析了某新建堤防施工過程中引橋的安全性，結果表明，在新建堤防荷載作用下，橋樁豎向位移和水平位移滿足規范要求，無需進行額外處理。朱文兵揭示深厚軟土地段樁身壓縮變形隨荷載、時間的發展規律。編制了橋梁樁基沉降變形觀測方案，推導了多級荷載作用下多層彈性地基的有效應力、沉降變形計算公式。張溥洋[6]以能量法原理為基礎，推導出高橋墩墩頂水平位移的能量法公式，提出了計算墩頂水平位移的實用公式。并對比不同參數對墩頂水平位移的影響，提出有效控制墩頂水平位移的方法。

因此，本文結合某一高速公路橋跨域某岸堤的工程實例，研究了岸堤填土荷載的后期固結變形必然對橋梁橋墩產生的不利影響，討論了高速公路橋梁方案的可行性及安全性，提出相應的處理措施。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

某工程，軟土層深厚，淤泥質粘土超過60m厚。甌飛堤先期施工，但如此厚的淤泥層在施工完成后很長一段時間內仍會產生固結變形，這就必然對橫跨大堤的橋梁橋墩產生影響，增加橋梁橋墩樁基的側向位移，這種位移可能對樁基不利，從而影響橋梁的正常運行與安全。甬臺溫高速公路橋梁與甌飛堤交叉段設計圖如圖1所示。

1.2 各主要工程地質層特征

淤泥（Q42m），黃灰色，流塑，切面稍光滑，無層理，夾有砂，韌性中等，干強度中等；淤泥質黏土（Q41m），灰色，流塑，具細密鱗片狀構造，見黑色有機質及腐植物碎屑，土質較均一；黏土（Q32m），灰色，軟塑狀，具鱗片狀構造，含少量貝殼碎屑，鈣質結核，含少量貝殼，局部含少量粉細砂；卵石（Q32al），灰色，飽和，密實，卵石含量約占60%，粒徑為2～4cm，個別粒徑大于6cm，亞圓狀，圓礫約占20%，其余為砂和黏性土充填；卵石（Q31al），雜色，飽和，密實，成份主要以卵石為主，卵石約占50%～60%，粒徑20～40mm，最大粒徑達80mm，見少量圓礫，含量約10%，粒徑約10～20mm，呈次圓狀，少量黏粉粒充填。

2 三維數值模型的建立

2.1 三維數值模型的建立

本文對初步設計方案，按照設計尺寸及地質資料建立了包括甌飛堤、橋墩、樁基及地基在內的大規模三維有限元模型。有限元模型考慮了地基、橋樁等材料分區，及施工工序，模型能充分反映工程結構特點和地質構造，以及結構與地基環境介質間的相互作用，可以反映結構和地基的非線性。有限元模型共劃分320158個結點，312835個單元，較為客觀、準確地擬了橋墩、承臺、橋樁與海堤、樁基的結構特點及地基的地質構造特征。

有限元模型X軸方向為垂直海堤指向背水側，寬度取425m，Y軸方向為沿海堤走向，長度取1200m，Z軸方向豎直向上，地基深度取195m，主橋墩樁基群由19根橋樁構成，邊墩樁基群由12根橋樁構成。主橋墩樁基長91m，邊墩樁基長度86m，海堤寬度176m。對初步設計方案，Y軸計算范圍取包括交叉段在內沿海堤走向600m范圍，對后續優化設計方案，計算范圍取海堤走向1200m范圍。三維有限元網格模型如圖2所示。

2.2 本構模型及計算參數選取

外海側采用拋石填筑，圍區側采用閉氣土方施工，塑料排水板設于海堤拋石區下方土層，寬度100m，深度24m，外海側和圍區側子堤采用拋石填筑。地基土材料分區在地質鉆孔資料的基礎上做了一定的簡化，地基土共分五層，分別為淤泥質土層①，淤泥質粘土層②，粘土層，砂卵石層①，砂卵石層②，土層深度依次為5m、33m、24m、21m、112m。橋梁主橋樁長91m，引橋樁長86m，橋梁墩臺高13m。在橋墩附近設54m深的雙排抗滑樁用于抵抗海堤填土對橋梁樁基的擠壓，拋石區海堤地基下方設100m寬24m深的塑料排水板加快地基土體排水固結，減小海堤完工后的沉降和地基固結變形。塑料排水板強度參數取相應土層的土體參數，滲透系數初步取為相應土層20倍，用于模擬考慮排水板加速排水的效果。三維非線性有限元計算采用的土體基本力學參數及鄧肯-張E-v模型參數列于表1，彈性材料參數列于表2中。

設計方案模擬高速公路橋梁與甌飛堤交叉施工時，按19級荷載分析步進行三維有限元計算。第1、2級荷載分析步為基巖和覆蓋層初始地應力及初始孔壓消散的模擬，3～8級荷載分析步為海堤的分層填筑及每層填筑的間歇，第9級荷載分析步模擬橋梁樁基承臺及橋墩的施工，10～16級荷載分析步為橋體上部結構架設及交叉段600m范圍外海堤的施工，第17～19級為海堤施工完成后的固結計算，固結時間取15年。

3 計算結果與分析

由于高速公路橋梁與甌飛堤為斜交形式，高速公路橋梁結構設計中主要關心順橋向和橫橋向水平位移及沉降，因此，對橋—堤交匯中橋梁的有限元計算結果進行了坐標轉換。轉換后的X向為沿橋梁走向指向圍區側（以下用U1表示），轉換后的Y向為垂直橋梁走向方向（以下用U2表示），Z向（以下用U3表示）保持豎直方向不變。有限元模型的兩套坐標系可分別用于研究海堤穩定性和高速公路橋梁變位情況。

3.1 墩頂位移及橋樁位移計算結果

表3給出了設計方案高速公路橋梁與甌飛堤疊交情況下橋樁及墩頂位移極值，其中，墩頂位移取橋墩頂面中心點的位移，樁頂位移取樁基中心樁頂面中心點的位移。高速公路橋梁主橋墩墩頂水平變位示意圖如圖3所示。

由表可知，外海側主橋墩（即主橋墩-1，下同）在橋體施工結束時順橋向位移-5.81cm，橫橋向位移2.34cm；在海堤施工結束時順橋向位移-19.67cm，橫橋向位移達到9.12cm；海堤完工15年后順橋向位移改變0.61cm，方向為指向兩主橋墩內側。外海側主橋墩在橋體架設完成時沉降2.72cm，海堤完工15年后沉降3.09cm，15年內產生固結沉降0.37cm。

圍區側主橋墩（即主橋墩-2，下同）在橋體施工結束時順橋向位移10.44cm，橫橋向位移-3.57cm；海堤施工結束時順橋向位移25.56cm，橫橋向位移-10.68cm；海堤完工15年后順橋向位移改變-1.50cm，方向為指向兩主橋墩內側。圍區側主橋墩在橋體架設完成時沉降2.84cm，15年后沉降3.60cm，15年內產生固結沉降0.76cm。

海堤填筑過程中，地基軟土層受到堤身自重的作用，土體產生水平位移，對主橋樁產生水平推力，導致兩主橋樁產生了向兩主橋墩外側方向的水平位移，海堤施工結束時橋樁及墩頂位移達到最大。由于海堤拋填過程中的孔隙水來不及完全排出，海堤分層填筑的間歇期以及海堤施工完成后的時期內，地基土孔隙水在塑料排水板等的作用下排出，海堤下方兩主橋墩之間地基土孔隙比減小，填筑過程產生的超靜孔壓逐漸消散，表現為間歇期內橋墩及橋樁產生了向橋梁兩主橋墩內側的變位情況。

需要指出的是，實際工程中可能會出現堆載作用下橋梁產生持續變形的情況，而并沒有產生回縮的現象，這應當歸結于軟土的蠕變特性，即在孔壓完全消散并且應力沒有增加的情況下變形持續增長。本文目前的計算方案尚未考慮蠕變的因素。

3.2 橋樁中心樁位移沿樁身分布規律

設計方案橋樁中心樁中心點的位移在橋體上部結構架設結束以及海堤完工15年后沿樁身分布規律如圖5所示。

圖4中可以看出，海堤的填筑對主橋樁的影響變現為：填土壓重使得橋樁產生了沿橋梁軸線以及垂直于橋梁軸線指向海堤外側的變位，在海堤自重作用下主橋樁產生固結壓縮沉降。

4 結論與建議

本文對高速公路橋梁與甌飛堤分別按各自設計進度施工的設計方案進行三維固結有限元模擬計算，研究海堤和橋梁結構以及地基的應力變形情況，評價了方案的可行性與安全性。

（1）三維有限元固結計算結果顯示，海堤完工15年后交叉段典型斷面的最大順橋向位移-80.87cm，最大橫橋向位移-38.94cm，最大沉降382.2cm。

（2）橋梁墩頂位移過大，橋樁的拉應力也較大，因此需研究減輕橋梁位移的方法，提出可能的優化設計方案。

參考文獻

[1]孫秀玲，馬惠群，項傳慧，等.擬建跨河橋梁對河道堤防的影響分析[J].山東大學學報（工學版），2006，36（4）：44-47.

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[4]裴廣超，李金洋，李艷龍.海堤與橋梁交叉段復合樁基安全性分析[J].低溫建筑技術，2013，35（11）：103-104.

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[6]彭良泉，李盛青.新建堤防對既有橋樁影響的三維有限元分析[J]人民長江，2013，44（24）：6-8.

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[8]張溥洋.山區高橋墩墩頂水平位移計算分析[D].長安大學，2012.

（作者單位：1.天津港東疆建設開發有限公司；2.浙江廣川工程咨詢有限公司）