某新建道路軟基處理對既有橋梁結構安全的影響分析

鄭楷柱 鄭恒斌 杜立凡

摘要：某新建道路下穿既有三跨預應力混凝土連續剛構橋，受道路軟基處理和堆載所誘發土體擾動的影響，橋梁墩身產生了不勻均沉降及水平位移，經現場監測其最大值分別達到4.1 mm和9.5 mm。為分析下穿道路軟基處理對既有橋梁結構安全的影響，文章建立了橋梁空間桿系有限元模型，基于現場監測值分別進行了橋梁單樁承載力、樁基抗彎剪承載力和上部結構承載力的驗算分析。結果顯示，橋梁各項承載力驗算均能滿足規范要求，表明現有狀態下的道路軟基處理不會對既有橋梁結構安全造成影響。

關鍵詞：新建道路;下穿;軟基處理;既有橋梁;結構安全

0 引言

近年來，隨著我國城市交通量劇增，新建道路不可避免地會出現與現有橋梁的交叉。根據以往經驗，新建道路與已建或在建橋梁交叉跨越時，應優先選擇道路下穿橋梁方案。在軟土區域內修建道路，需要對軟土地基進行加固處理，而在軟基處理的過程中必然會對周邊土體產生一定的變形與沉降。地基土的沉降將在樁身產生負摩阻力，導致樁基發生附加沉降。同時，當墩柱周圍的填土堆載不對稱時，地基土除發生豎向變形外，還將發生側向變形，這使得樁基發生側向位移，并帶動橋墩及上部結構發生偏移。當橋梁樁基發生的位移過大時，可能導致橋梁結構發生破壞，影響橋梁的正常使用[1-4]。

針對該類工程的復雜性，國內外學者對該問題開展了一系列的研究工作，Springman等[5]通過離心試驗，研究了堆載作用下樁基變形與彎矩的變化規律;李志偉[6]結合具體工程實例，針對不對稱堆載作用下的橋梁墩柱及樁基的位移與內力進行了分析;梁育瑋等[7]針對側向堆載對城際鐵路高架橋的影響進行了有限元分析，提出了不同堆載高度下的安全距離。

本文以某新建道路下穿既有三跨預應力混凝土連續剛構橋為工程背景，研究道路軟基處理和填土堆載對橋梁承載能力的影響，為今后該類工程的建設提供相關經驗及參考。

1 項目概況

某新建道路在下方橫穿既有橋梁66#～68#墩，在道路建設過程中，由于橋下區域為河堤軟土區，土質較差，需要在橋梁下方進行軟基處理，軟基處理方式采用水泥攪拌樁加[=XQS（]某新建道路軟基處理對既有橋梁結構安全的影響分析/鄭楷柱，鄭恒斌，杜立凡[=JP2]固以及地表填土。橋梁上部結構采用（33+33+30）m預應力混凝土連續剛構，2個中墩墩梁固結，2個邊墩設置支座。箱梁分2幅布置，每幅寬度由17.35 m漸變為22.75 m，單箱三室。下部結構采用實心花瓶墩，每幅箱梁采用雙花瓶墩，單個花瓶墩壁厚1.2 m，底寬1.8 m，頂寬3.6 m。單個花瓶墩的基礎采用群樁基礎，設置2根1.4 m直徑的樁基。橋梁橫斷面示意圖如圖1所示。

2 現場監測方案及結果

為監測在道路施工過程中橋梁墩身產生的沉降與水平位移，在橋梁的中墩以及一端的邊墩上設置位移監測測點。觀測點位于橋墩底部6 m處和3 m處，其中3 m處的測點為復核測點。

監測數據反映，在道路施工過程中，橋墩出現了4.1 mm的最大沉降，發生了9.5 mm的最大水平位移。具體監測結果如表1所示。

3 橋梁有限元模型建立

采用Midas Civil軟件建立有限元模型進行計算分析。模型采用空間桿系結構，主梁、橋墩及樁基均模擬為空間梁單元，全模型共劃分為226個節點和194個單元。支座采用彈性連接的方式進行模擬，墩梁、樁墩連接均使用剛性彈簧的方式模擬，樁-土耦合作用采用施加線形節點支承的方式模擬，在支座底部與樁底施加一般支承以限制模型的位移。在Midas Civil軟件中建立的橋梁有限元模型如圖2所示。

4 橋梁結構安全分析

4.1 單樁承載力分析

新建道路在現有橋梁下方下進行河堤和道路的填土和軟基處理，由于該處地質存在20 m左右的軟基，勢必對橋梁樁基產生負摩阻，為此對樁基的承載能力進行驗算，并充分考慮填土的2.5 m厚度和20 m淤泥的負摩阻效應。根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363-2019）[8]，對單樁承載力進行驗算。

求得單樁軸向受壓承載力容許值為18 261.2 kN，大于設計單樁豎向力為6 500 kN，富余度為180.9%。經驗算，考慮填土產生的樁基負摩阻效應，樁基的單樁承載能力滿足規范要求。

4.2 樁基抗彎剪承載力分析

由于橋墩最大產生了9.5 mm的水平位移，為此對群樁基礎進行分析，施加10 mm的強迫位移后，進行樁基的承載力驗算。樁基內力包絡圖見圖3、圖4。基本組合下樁基彎矩最大值為3 410.3 kN·m，軸力最大值為8 128.1 kN。

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG3362 D62-2018）[9]中的規定，對樁基壓彎構件承載力進行驗算。

軸力承載力容許值：

[Nr]=Ar2fcd+Cρr2f′ sd=9 439.8 kN

彎矩承載力容許值：

[Mr]=Br3fcd+Dρgr3f′ sd=4 454.2 kN·m

經驗算，樁基軸力及彎矩承載力容許值均大于設計值，樁基的壓彎承載力滿足規范要求。

4.3 上部結構承載力分析

由于橋下河堤和道路的填土和軟基處理，產生了橋墩沉降，而上部連續箱梁對于橋墩的沉降比較敏感，會產生附加內力。為此考慮5 mm沉降值，核查橋梁上部結構的承載能力。頻遇組合下，主梁下緣應力包絡圖如圖5所示，拉應力最大值為0.29 MPa（<1.89 MPa），壓應力最大值為8.51 MPa（<23.1 MPa）;主梁上緣應力包絡圖如圖6所示，拉應力最大值為1.51 MPa（<1.89 MPa），壓應力最大值為11.15 MPa（<23.1 MPa）。由此主梁上下緣應力滿足規范[9]要求。

本次驗算的不均勻沉降取值5 mm，大于監測到的最大沉降量4.1 mm，故實際情況下橋梁上部結構承載力滿足規范要求。

5 結語

結合橋下軟基處理情況，使用Midas Civil軟件建立三維有限元模型，主要結論如下：

（1）由于橋梁采用嵌巖樁，考慮填土使軟土產生負摩阻之后，單樁承載力仍然滿足規范要求。

（2）對于橋墩產生的水平位移，按10 mm進行驗算，雖然樁基的承載力能滿足，但是設計一般不考慮樁基的強迫水平位移，為此需要嚴格控制樁基的位移量，避免危及橋梁安全。

（3）橋梁在設計過程中，特別是連續箱梁等超靜定結構，都會考慮一定的沉降值。目前結合監測沉降值最大為4.1 mm，按5 mm進行驗算，連續箱梁承載力和應力滿足規范要求。

參考文獻：

[1]馮忠居，張永清，李 晉.堆載引起橋梁墩臺與基礎的偏移及防治技術研究[J].中國公路學報，2004（3）：77-80.

[2]李 悄，孫宗磊，張 軍，等.軟土地區新建道路下穿既有高速鐵路影響分析及對策[J].高速鐵路技術，2013 （1） ：26-30.

[3]張 浩，石名磊，胡伍生，等.互通區跨線橋鄰近路基墩柱偏移事故分析[J].東南大學學報（自然科學版），2013，43（3）：617-623.

[4]張 儉.新建道路下穿運營高速鐵路橋梁的設計方案[J].中外公路，2014，34（2）：185-188.

[5]Springman.Modeling of soil-structure interaction for a piled bridge plane strain FEM analysis[J].Computers and geotechnics，2001（28）：79-98.

[6]李志偉.軟土地基不對稱堆載對橋梁偏位的影響及加固分析[J].公路，2016，61（8）：86-92.

[7]梁育瑋，邊學成，董 亮.側方堆載作用下高架橋群樁基礎變形分析[J].鐵道建筑，2017，57（9）：5-12.

[8] JTG 3363-2019，公路橋涵地基與基礎設計規范[S].

[9] JTG3362 D62-2018，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].