新建高速公路匝道橋樁基礎對相鄰既有橋樁基礎的影響研究

摘要：高速公路互通樞紐線路復雜，新舊線路匝道橋交叉時，新舊橋樁基礎水平距離較近，埋深相當，可能會影響既有橋樁基礎的安全性。本文以某高速公路互通樞紐為工程背景，采用ABAQUS軟件進行建模分析，從既有橋樁基礎水平位移量、沉降量，相鄰橋墩間不均勻沉降量以及橋樁、橋墩應力變化等方面，分析新建橋樁基礎對既有樁基礎安全性的影響。研究結果可為類似工程提供參考。

關鍵詞：樁基礎；沉降；負摩阻力；數值模擬

1、工程概況

某高速公路互通樞紐擬建A匝道橋總長度為493.53m，上部結構為預應力混凝土連續箱梁，下部結構為柱式墩、樁基礎。該匝道橋的部分橋墩距已投入使用的另一線路的橋墩較近，橋墩中心最近距離僅為4.8m，A匝道橋的修建可能影響相鄰既有橋墩的安全性。因此需根據新建橋墩與既有橋墩的空間位置關系及地層巖性特點，分析其對相鄰既有橋樁基礎安全性的影響。

2、影響既有橋墩的主要因素分析

2.1 樁底沉降

由于新建A匝道橋部分橋墩距相鄰既有大橋橋墩較近，施工時和建成后，可能會引起相鄰既有橋樁基礎底部發生不同程度的沉降，導致相鄰既有大橋橋面形成較大的附加縱坡。此外，超靜定結構橋梁墩臺間不均勻沉降差值，會使橋梁結構產生附加應力，影響結構安全。

2.2 樁身周圍土體沉降

新建橋墩施工時和建成后，可能會造成既有橋樁基礎周圍土層的沉降，產生負摩阻力。負摩阻力相當于給樁側壁施加面荷載，會增大樁的軸力，對于端承樁，就有可能造成樁身或樁端地基破壞，對于摩擦樁，上部結構就會加大沉降或產生不均勻沉降[1]。律文田等人研究發現由于負摩阻力的作用，樁身軸力隨著深度的增加先增大后減小，樁側摩阻力沿深度呈非線性變化[2-3]。此外，新建樁基礎樁底沉渣在受荷階段被壓縮后樁身下沉，也會引起周圍土體的沉降，進一步增大既有橋樁的負摩擦力。

3、計算參數確定及建模分析

3.1計算參數確定

該工程互通樞紐屬構造剝蝕侵蝕丘陵地貌，擬建路段上覆土層為第四系全新統粉質粘土和卵石土；下覆基巖為侁羅系中統上沙溪廟組的砂、泥巖互層。粉質粘土厚0.0～4. 30m， 卵石土厚度約0.0～1.5m。

根據互通區地質構造情況，為考慮巖土材料的應力-應變關系，本次采用有限元計算軟件ABAQUS進行數值分析，對巖土材料選擇彈塑性的摩爾-庫倫模型，橋梁自身結構及橋墩樁體等構件選擇彈性模型。計算參數確定見表3.1所示。

3.2分析要點

3.2.1初始地應力

在工程數值分析中，初始地應力場的存在和影響不容忽略，它是影響巖土體力學性質的重要控制因素，在實際工程中，開挖之前可以認為土體固結已經完成，土體中的初始應力是土體在自重應力作用下產生的，此初始狀態中，土體的位移和速度為零，但應力狀態與自重作用下的一致。本次數值分析采用ABAQUS中自帶的GEOSTATIC分析步產生初始地應力。

3.2.2生死單元法

在ABAQUS軟件中可通過生死單元法實現基坑開挖、橋墩的修建，橋墩與土體之間采用Surface-to-surface contact接觸關系相連接。

3.3分析步驟

建模分析步驟見表3.2。

互通樞紐A匝道橋6～8橋墩對相鄰既有大橋受力影響分析計算網格劃分如圖3.1所示。橋墩和土體采用四面體單元（C3D4）、樁基護壁采用殼單元（S3），總單元個數為674390。

4、新建橋樁基礎對相鄰既有橋樁基礎的影響研究計算分析

4.1樁基開挖階段

（1）橋墩沉降及沉降差

A匝道橋6～8號橋墩樁基基坑開挖應力釋放后引起的土體位移變化，見圖4.1。引起的土體位移變化最大值為1.81mm，位于A匝道橋6號橋墩樁基基坑周圍。

A匝道橋6～8號橋墩樁基基坑開挖應力釋放后，引起相鄰既有大橋橋墩位移變化見圖4.2。水平方向（X、Z方向）最大位移變化為0.6mm，橋墩最大沉降（Y方向）為0.02mm，相鄰既有大橋相鄰橋墩間有沉降差，但差異性沉降值較小。

（2）橋墩應力

A匝道橋6～8號橋墩樁基基坑開挖應力釋放后，引起相鄰的既有大橋橋墩主應力變化見圖4.3。主應力變化范圍在-0.04MPa～0.13MPa之間，引起的主應力變化較小。

4.2橋墩修建完成階段

（1）橋墩沉降及沉降差

A匝道橋橋墩修建完成后，引起相鄰既有大橋橋墩位移變化見圖4.4。水平方向（X、Z方向）最大位移變化為2.6mm，橋墩最大沉降（Y方向）為1.1mm。樁底部水平方向（X、Z方向）最大位移變化為0.25mm，樁底最大沉降（Y方向）為1.0mm。既有大橋相鄰橋墩間有沉降差，但差異性沉降值較小。

（2）橋墩應力

A匝道橋墩修建完成后，引起相鄰既有大橋橋墩主應力變化見圖4.5。主應力變化范圍在-0.16MPa～0.28MPa之間，引起的主應力變化較小。

A匝道橋墩的修建引起相鄰既有大橋相鄰橋墩樁底最大水平位移為（X、Z方向）為0.25mm，相鄰橋墩樁底最大沉降為1.0mm，相鄰橋墩不均勻沉降滿足規范要求[5]。相鄰橋墩間的差異沉降較小，引起的橋墩主應力變化范圍在-0.16MPa～0.28MPa之間。

5、結論與建議

5.1結論

本文建立了ABAQUS三維分析模型，分析了新建A匝道橋對相鄰既有大橋橋墩的影響，根據計算得到的既有橋墩沉降值、不均勻沉降值以及新建橋墩引起的既有橋梁結構內力值，A匝道橋的修建對相鄰既有大橋結構影響小，符合相關規范要求。

5.2建議

（1）樁基礎施工時，應采取合理的施工方案，減小施工對已有樁基礎的振動影響，樁身澆筑時，嚴格控制基坑底部殘渣；

（2） 樁基礎施工時，應確保材料堆放符合安全要求，嚴禁造成橋墩受力偏壓影響結構安全；

（3）橋墩樁基施工時應嚴格跳孔施工；

（4）增加施工便道排水設施，對橋梁區域排水系統進行論證設計，保障排水暢通，確保雨季排水順暢和高速公路橋梁安全；

（5）在樁基礎施工過程中，應加強高速公路橋梁監測管理，橋梁日常監測內容應包括地表沉降、橋墩本體沉降、橋墩傾斜監測等，及時采取有效措施保證橋梁良好的安全狀況。

參考文獻：

[1]陳福全，龔曉南，馬時冬等.樁的負摩阻力現場試驗及三維有限元分析[J].建筑結構學報，2000，21（3）：77.

[2]律文田，冷伍明，王永和等.軟土地區橋臺樁基負摩阻力試驗研究[J].巖土工程學報，2005，27（6）：642-645.

[3]郭建光，陳偉，陳曉斌等.不同荷載方向下土壓力對樁土摩阻力的影響[J].鐵道科學與工程學報，2009，6（6）：39-43.

[4]傅文橋.基于樁土共同作用的樁底沉渣對樁承載性狀的影響研究[D].湘潭大學，2015.

[5] JTGD63-2007. 公路橋涵地基與基礎設計規范[S]. 北京：人民交通出版社，2007.