圍墾填土對(duì)鄰近新建橋梁的影響分析

高宏偉 鄧會(huì)元 程德林

（1.西安市軌道交通集團(tuán)有限公司，西安 710016；2.東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096；3.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096；4.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088）

我國(guó)沿海地區(qū)為了緩解用地緊張壓力，充分利用沿海大面積灘涂資源，大力發(fā)展圍墾造陸工程。由于灘涂圍墾區(qū)土質(zhì)較差，軟土較厚，固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，給灘涂圍墾區(qū)工程建設(shè)帶來了極大的挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)外也出現(xiàn)了大量的圍墾區(qū)構(gòu)筑物損壞問題，如日本的大阪關(guān)西國(guó)際機(jī)場(chǎng)由圍海造陸形成，目前已出現(xiàn)大量的不均勻沉降和結(jié)構(gòu)開裂問題[1]；荷蘭由于海拔較低，緊鄰海洋，從400年前就開始大面積圍墾造陸，歷史上已出現(xiàn)大量地基不均勻沉降致使建筑物、道路、橋梁發(fā)生破壞的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響構(gòu)筑物的正常使用[2]。我國(guó)浙江、廣東等沿海圍墾區(qū)，也出現(xiàn)了一些橋墩偏移、不均勻沉降等問題。

為了研究堆載對(duì)鄰近樁基的影響，Heyman等[3]通過在路堤側(cè)埋設(shè)試驗(yàn)樁，監(jiān)測(cè)了路堤分層填筑對(duì)鄰近試樁的側(cè)向變形和彎曲的影響。Wenz、Nicu等[4-5]開展了軟土地表堆載對(duì)樁基影響的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，認(rèn)為堆載后軟黏土地基流動(dòng)足以使樁基發(fā)生很大變形甚至毀壞。此外，梁育瑋等[6]針對(duì)側(cè)向堆載對(duì)城際鐵路高架橋的影響進(jìn)行了有限元分析，并提出了不同堆載高度下堆載的安全距離。為了減小堆載側(cè)向變形的影響，易勇等[7]研究了不同加固方案對(duì)被動(dòng)樁受力的影響，楊生等[8]針對(duì)可門港大橋貨場(chǎng)擴(kuò)建工程堆載側(cè)向變形問題，通過數(shù)值模擬分析了隔離樁加固技術(shù)，認(rèn)為雙排隔離樁可以顯著降低擴(kuò)建工程堆載對(duì)鄰近鐵路橋的影響。從已有研究及工程實(shí)踐可以看出，灘涂圍墾工程建設(shè)較多，堆載作用下被動(dòng)樁問題較普遍，但是關(guān)于灘涂圍墾對(duì)新建橋梁樁基的影響研究較少，特別是圍墾工程與海堤以外橋梁施工工序?qū)π陆蛄旱挠绊憽?/p>

本文依據(jù)杭甬高速公路復(fù)線寧波段灘涂區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)，采用有限差分軟件建立三維整體模型，模擬分析灘涂圍墾與新建橋梁施工先后順序?qū)蛄簶痘挠绊懀酝晟圃O(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)此類工程安全設(shè)計(jì)的規(guī)定。

1 工程概況

杭甬高速公路復(fù)線高架橋位于寧波東部沿海，寧波段全長(zhǎng)約79.737 km，分為一期和二期工程。一期工程?hào)|段起于威海路，止于慈溪附海，與杭州灣大橋南岸連接線相接，線路全長(zhǎng)40.757 km。

S1標(biāo)段為杭甬高速公路復(fù)線寧波段一期工程的東段工程，與圍墾工程聯(lián)系較緊密。擬建高架橋的不同區(qū)段受圍墾工程影響差異較顯著，其中K0—K2區(qū)段位于新弘口圍墾區(qū)外側(cè)，上部為淤泥質(zhì)黏土，厚20～28 m，土層的主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層的主要物理力學(xué)參數(shù)

鄰近的海堤及圍墾工程尚未開工。該圍墾區(qū)規(guī)劃的海堤距離線位200 m左右，根據(jù)規(guī)劃及進(jìn)度安排，該區(qū)域圍墾填土與本項(xiàng)目存在同期施工的問題。若橋梁施工過程或施工完成后再進(jìn)行海堤施工及圍墾區(qū)大面積填土工程，會(huì)使鄰近橋梁產(chǎn)生側(cè)向變形。因此，需開展該區(qū)段海堤施工及圍墾工程對(duì)鄰近橋梁的影響研究，提出合理的施工工序及安全設(shè)計(jì)建議。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型及參數(shù)

應(yīng)用有限差分軟件FLAC 3D對(duì)K0—K2區(qū)段橋梁樁基進(jìn)行數(shù)值建模，模型見圖1。

圖1 數(shù)值模型（單位：m）

模型中土體、混凝土材料的體積模量和剪切模量可通過彈性模量和泊松比換算得到[9]。一般情況下，彈性模量取壓縮模量的2～5倍，而對(duì)于淤泥軟土層，可直接取為壓縮模量值[10]。

本工程目前缺少現(xiàn)場(chǎng)樁基靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮到橋梁樁基為鉆孔灌注樁，接觸面上的黏聚力、內(nèi)摩擦角可取樁相鄰?fù)翆拥?0%。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，該區(qū)段橋梁樁基的樁徑為1.8 m，樁長(zhǎng)為85.5 m，樁入土長(zhǎng)度為79.5 m，后期圍墾區(qū)填土厚度為5.0 m。海堤采用拋石擠淤建成，模型材料參數(shù)見表2。

表2 模型材料參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，K0—K2區(qū)段橋梁樁基為4樁群樁基礎(chǔ)（圖2，圖中D為橋梁與海堤的距離），單樁設(shè)計(jì)承載力特征值約5 000 kN。

圖2 橋墩基礎(chǔ)及鄰近海堤剖面

威海路橋梁基礎(chǔ)與鄰近擬建海堤距離取200 m。圍墾區(qū)填土厚5.0 m，重度取17.5 kN/m3，海堤頂部高程為+6.5 m，寬度為8.5 m，海堤剖面簡(jiǎn)化為梯形。地基土體、海堤和橋梁樁基均采用實(shí)體單元模擬，模型尺寸參見圖1。當(dāng)橋墩距離模型邊界大于30倍樁徑時(shí)，可忽略邊界的影響。本次模擬中土體材料采用Mohr‐Coulomb模型，樁身、堤壩為線彈性模型。模型的前后左右約束相應(yīng)的側(cè)向位移，底部約束豎向位移。

2.2 計(jì)算工況

由于新弘口K0—K2區(qū)段橋梁以及鄰近海堤、圍墾填土均未施工，考慮到后期橋梁施工及海堤、圍墾填土施工存在先后順序的問題，模擬分析了3種最不利工況，考慮了距離（海堤外海側(cè)坡腳與承臺(tái)軸線間距）海堤180，200，220 m時(shí)橋梁樁基的受力變形。計(jì)算工況見表3。

表3 計(jì)算工況

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 海堤施工和圍墾填土的影響

以工況一為例，分析距離180，200，220 m時(shí)海堤施工后圍墾填土對(duì)鄰近新建橋梁的影響，樁身變形見圖3。

圖3 不同橋梁與海堤距離時(shí)新建橋梁樁身變形（工況一）

由圖3可見：隨著距離的增加，海堤施工及圍墾填土對(duì)鄰近橋梁樁基水平位移的影響越來越小，樁身最大水平位移位于樁頂以下18～20 m深度處。僅施工海堤時(shí)，距離從180 m增大到220 m，鄰近橋墩最大水平位移從5.5 mm降低到3.1 mm，說明從180 m之后，距離每增加20 m，鄰近樁基的最大水平位移降低了23.6%～26.2%。而圍墾填土后，樁身最大水平位移顯著增加，比海堤施工階段增加38.1%～54.8%，說明圍墾填土對(duì)新建橋梁的影響大于海堤施工。距離從180 m增大到220 m時(shí)，每增加20 m，最終樁身最大水平位移降低了21.0%～23.7%，且距離為180～200 m時(shí)，鄰近橋墩樁基最大水平位移大于10 mm，樁頂位移也大于6 mm，不滿足JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中的位移控制要求。距離為220 m時(shí)，樁身最大水平位移小于10 mm，樁頂位移也小于6 mm，滿足位移控制要求。

3.2 施工工序的影響

考慮到橋梁基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)、海堤施工及圍墾填土等工序存在交叉，不同施工工序?qū)π陆蛄簶痘挠绊懣赡艽嬖诓町?。因此，?dāng)海堤距離橋墩200 m時(shí)，分析施工工序?qū)︵徑陆蛄簶痘挠绊?，不同施工工序下鄰近橋墩樁身變形見圖4?？梢姡?/p>

1）在橋梁施工、海堤施工及圍墾填土均完成后，工況二施工工序?qū)︵徑鼧蚨沼绊懽钚?，而工況三的施工工序?qū)︵徑鼧蚨兆畈焕?；所有施工完之后，工況二引起的橋墩樁基最大變形分別比工況一、工況三小8.0%，18.6%。因此，建議采取工況二的施工工序。

圖4 不同施工工序下鄰近橋墩樁身變形

2）對(duì)比工況一和工況二可以看出，海堤施工完成時(shí)，工況二樁身變形大于工況一的樁身變形。由于工況一在海堤施工之前已完成橋梁上部結(jié)構(gòu)施工，即出現(xiàn)樁頂荷載，相當(dāng)于給樁基預(yù)加了軸力，而工況二樁頂無荷載，使得工況一的樁身變形小于工況二。這說明在海堤施工階段，樁頂荷載的施加有助于提高樁身側(cè)向抗變形能力。

從工況三不同施工階段可以看出，圍墾填土完成后再施加橋梁上部荷載時(shí)，由于橋墩已出現(xiàn)了較顯著的變形，樁頂荷載施加后，出現(xiàn)了P-Δ效應(yīng)，反而加大了樁身變形，樁身最大變形增加6.6%。因此，實(shí)際施工過程中若橋墩樁基已出現(xiàn)變形，上部結(jié)構(gòu)施工時(shí)應(yīng)考慮P-Δ效應(yīng)對(duì)橋墩樁基的不利影響。

3.3 樁基變形預(yù)測(cè)分析

上文計(jì)算了幾種代表性的橋梁與海堤距離工況，下面分析距離50～250 m時(shí)3種工況樁身最大水平位移曲線（圖5）。

圖5 樁身最大水平位移隨橋梁與海堤距離變化曲線

根據(jù)圖5中不同工況下樁身最大水平位移變化曲線，可擬合得到相同形式的指數(shù)函數(shù)：

式中：y為水平位移；a為距離為0時(shí)最大變形影響系數(shù)；b為受距離影響的參數(shù)；x為距離。

同理，樁頂水平位移也可擬合成相同形式指數(shù)函數(shù)。各參數(shù)取值見表4。

表4 指數(shù)函數(shù)各參數(shù)取值

式（1）擬合度較高，可以很好地預(yù)測(cè)不同距離情況下3種施工工序?qū)︵徑鼧驑兜挠绊?。?dāng)距離為120 m時(shí)，3種工況下樁身最大水平位移分別為32.84，29.59，40.15 mm；樁頂水平位移分別為29.06，15.28，30.89 mm。相應(yīng)的樁身最大水平位移比樁頂水平位移分別增加了13.0%，93.7%，30.0%。

根據(jù)JTG D63—2007，泥面處樁最大位移容許值為10 mm，但是該規(guī)范一般針對(duì)樁頂受荷的主動(dòng)樁，對(duì)于堆載作用下的被動(dòng)樁位移控制，目前尚無規(guī)范明確要求。若將樁身最大位移控制為10 mm，根據(jù)式（1）可得到3種工況下的海堤安全距離分別約為200，192，215 m。

3.4 計(jì)算結(jié)果匯總分析

不同施工工況計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 不同施工工況樁基位移和承臺(tái)轉(zhuǎn)角計(jì)算結(jié)果

由表5可見：

1）在3種工況下，隨著海堤距離的增加，樁基的水平位移、豎向位移、以及承臺(tái)轉(zhuǎn)角均減小。當(dāng)海堤距離為180～220 m時(shí)，不同工況下承臺(tái)轉(zhuǎn)角在0.004°～0.014°，轉(zhuǎn)角較小，能滿足工程要求。

2）當(dāng)海堤距離橋梁樁基為180 m時(shí)，3種工況計(jì)算得到的樁基最大水平位移可以達(dá)到11.9～14.8 mm，而且橋梁上部結(jié)構(gòu)在圍墾填土完成之后施工不利于樁基位移的控制。由于海堤施工及圍墾填土已使樁基產(chǎn)生側(cè)移和彎曲，最后施加樁頂荷載，會(huì)引起二次彎曲和附加水平位移。

3）當(dāng)海堤距離橋梁樁基為220 m時(shí)，3種工況下最大水平位移為7.3～9.0 mm，小于10 mm，說明距離大于220 m時(shí)任意一種施工工序下橋梁樁基均能保持安全穩(wěn)定。

4）當(dāng)海堤距離橋梁200 m時(shí)，若橋梁上部結(jié)構(gòu)施工早于圍墾填土施工，更有利于控制填土引起的橋梁樁基的水平位移，而且位移可控制在9.2～10.0 mm；而橋梁上部結(jié)構(gòu)施工遲于圍墾填土?xí)r，樁基的水平位移會(huì)略大于10 mm，對(duì)橋梁的安全穩(wěn)定不利。

4 結(jié)論

本文以杭甬高速公路復(fù)線鄰近的圍墾工程為背景，研究圍墾工程對(duì)新建橋梁樁基的影響。通過建立模型分析了海堤施工、圍墾填土、橋梁施工不同施工工序?qū)︵徑鼧蛄簶痘a(chǎn)生的影響。主要結(jié)論如下：

1）擬建海堤距離橋梁180～220 m時(shí)，距離越遠(yuǎn)，海堤施工、圍墾填土以及橋梁上部結(jié)構(gòu)施工對(duì)鄰近橋梁樁基水平位移的影響越小；在相同施工工序情況下，海堤距離橋墩從180 m增加到220 m，每增加20 m，樁基最大水平位移減少20.4%～23.7%。

2）不同施工工序下圍墾填土的影響大于海堤施工的影響，樁身最大水平位移顯著增加。工況一中樁身最大水平位移在圍墾填土階段比海堤施工階段增加了38.1%～54.8%。

3）從工況三可以看出，樁基受周圍填土影響而出現(xiàn)了彎曲變形。樁頂施加荷載之后，由于P-Δ效應(yīng)樁身變形增加，且海堤距離橋梁越近，P-Δ效應(yīng)越顯著。海堤距離橋墩為180，200，220 m時(shí)，施加樁頂荷載后，樁身最大變形增量為1.0，0.7，0.7 mm，分別增加了7.2%，6.6%，8.4%。

4）在海堤施工和圍墾填土之間施工橋梁上部荷載，有利于降低橋樁的水平位移。K0—K2區(qū)段橋梁施工及新弘口圍墾區(qū)施工時(shí)，建議圍墾填土之前完成橋梁上部結(jié)構(gòu)施工，此時(shí)橋梁距離海堤的安全距離可控制在200 m。