路堤填筑對既有橋梁樁基影響及處理措施研究

黃 峰

（新疆西域公路建設集團有限責任公司，烏魯木齊 830000）

由于城市立交建設錯綜復雜，不可避免地遇到擬建路堤下穿既有橋梁樁基等工況，路堤填筑過程中可能會對既有橋梁樁基帶來影響，這也成為了工程師們的研究重點。 近年來，國內學者作了以下研究：韓偉良、宋春雨等[1-2]通過分析軟土分布地區的現有橋梁下填筑路堤，對未進行地基處理時及采用水泥攪拌樁復合地基法處理后2 種情況下的路基的沉降及側向變形，以及既有樁基的沉降和側向變形進行了研究，結果表明地基處理可有效減少路基和路堤填筑后附近既有樁基的沉降和側向位移；鄭明新、曹淑學等[3-4]針對某深厚軟土地區橋臺側移現象運用ABAQUS 數值軟件模擬了軟土對臺后分層填土的施工力學行為，結果表明在深厚軟基上小厚度的填土即會對鄰近樁基產生較大的影響，隨著填土高度增加，水平位移增速加快，豎向位移增速放緩；白楷、李龍田等[5-6]研究得出既有橋墩鄰近鐵路路基處受路基填土堆載、列車及軌道結構荷載的影響，墩臺需承受側向水平推力作用，該工程中的鐵路路基采用懸臂式擋墻收坡處理，分析橋墩水平受力情況，以保證既有橋梁基礎及墩臺的安全；陳富強、張磊等[7-8]以廣州市南沙區某堤防加高對既有城市公路橋梁樁基的影響分析為例，采用了彈性支點法和有限元Midas/GTS 軟件就填土加高對橋梁樁基的內力和變形的影響進行了研究分析。 本文以某路堤填筑工程下穿既有橋梁樁基工程為例，分析了路基填筑對橋梁樁基的影響，提出采用擋墻進行處理以減小路堤填筑的影響，并對擋墻的防護距離和埋深進行了討論研究，研究結果可為類似工程設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某地區新建公路下穿既有橋梁，既有橋梁上部有火車通行， 已知該公路擬從B 墩、C 墩和D 墩間通過，如圖1 所示。路基最大填筑高度為10 m，右側坡肩位于D 墩右側5 m 處， 坡面按照坡率1∶1.5 進行放坡處理。 既有橋梁樁基埋深約為20 m，樁基的直徑為1.0 m， 沿橋梁走向兩橋墩間距為15 m，橋面分為左右2 幅，橋面均采用預制混凝土板。 經現場調查，該處地層主要為粉砂土、粉質黏土、中砂、粗砂和粉砂巖，依次厚度為3.2 m、1.8 m、8.3 m、2.1 m和27.0 m，工程施工過程中，由于填土壓力影響，可能會對F 墩產生最為不利的影響。

圖1 既有橋梁與擬建路堤位置示意圖

2 數值建模

圖2 為采用有限元軟件ANAYS 建立的數值模型。 考慮到模型的邊界效應，模型的長寬高分別取300 m、180 m 和40 m，橋墩樁體、承臺和墩樁采用SOLID65 號實體單元進行模擬處理，本構模型采取線彈性模型； 其余土體采用SOLID 45 實體單元進行模擬，本構模型采取D-P 模型。 橋墩樁基的樁徑為1.0 m，樁長為20 m，沿橋梁走向兩橋墩間距為15 m，橋面厚度取0.9 m，承臺長寬高尺寸分別為8 m、10 m 和2.6 m，橋墩、承臺和橋面的彈性模量取32 GPa，泊松比取0.2。 除上邊界外，其他邊界均進行位移約束， 以模擬半無限土體。 路堤填高為5.0～10.0 m。表1 給出了土體材料的彈性模量、摩擦角、重度、泊松比及粘聚力等參數。

圖2 數值模型圖

表1 土體的物理力學參數

3 數值結果分析

3.1 路堤填筑對既有樁基影響分析

路堤填筑會對臨近既有樁基產生影響，尤其會對B 墩、C 墩、D 墩和F 墩產生影響。 圖3 給出了路堤填筑誘發B 墩、C 墩、D 墩和F 墩產生水平位移曲線，規定水平向右為正，反之為負。 由圖可知，對于B 墩，發生水平向左的位移，樁頂最大位移值為2.42 mm，隨著樁深的增加，水平位移逐漸減小，當樁深到-10 m 位置左右時，水平位移趨于0。 對于C墩、D 墩和F 墩，均發生水平向右的位移，樁頂最大位移值分別為1.53 mm、1.78 mm 和21.6 mm，隨著樁深的增加，水平位移也同樣逐漸減小，當樁深到-10 m位置左右時，水平位移趨于0。 根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363-2019）要求，橋梁偏移量不超過10 mm，由此可知，F 墩的水平位移超出了規范允許值，需采取一定的措施進行加固處理。

圖3 各樁體沿深度方向水平位移曲線

3.2 擋墻處理效果研究分析

為了減小路堤填筑對F 墩產生的影響，在距離F 墩一定的距離內設立一擋墻，擋墻高度為7.2 m，其中上墻高度為2.6 m，墻頂寬度為1.0 m，臺寬取1.2 m，面坡坡率取1∶0.15，上、下墻背坡坡率分別取1∶0.2 和1∶-0.2。 采用擴展墻趾臺階， 墻趾臺階高0.5 m，寬1.2 m，墻底的坡率取0.1∶1，如圖4 所示。

圖4 擋墻施作示意圖

圖5 為施作擋墻之后的計算模型圖。 為了分析擋墻距離橋墩不同距離L 及不同埋深H 的影響，研究中L 分別取2 m、4 m 和6 m，H 分別取1 m、2 m、3 m 和4 m 進行討論分析。

圖5 擋墻防護數值模型

圖6 給出擋墻在不同埋深H 和不同距離L 時的F 墩的水平位移曲線。 由圖可知，F 墩沿樁深的水平位移曲線規律一致， 即樁頂水平位移最大，向下依次減小，在-10 m 深度處逐漸趨于0。如圖6（a）所示，當埋深H 取1 m 時，距離L 取2 m、4 m 和6 m時的樁頂水平位移分別為20.1 mm、16.6 mm 和13.9 mm，相對于距離L 取2 m 時，當L 取4 m 和6 m時樁頂水平位移分別減小了17.4%和30.8%， 且此時樁頂的水平偏移值均超出了規范要求值。 如圖6（b）所示，當埋深H 取2 m 時，距離L 取2 m、4 m和6 m 時的樁頂水平位移分別為16.8 mm、13.1 mm和11.2 mm， 相對于距離L 取2 m 時， 當L 取4 m和6 m 時樁頂水平位移分別減小了22.0%和33.3%， 此時所有樁頂的水平偏移值也均超出了規范要求值。 如圖6（c）所示，當埋深H 取3 m 時，距離L 取2 m、4 m 和6 m 時的樁頂水平位移分別為12.7 mm、8.8 mm 和5.7 mm， 相對于距離L 取2 m時，當L 取4 m 和6 m 時樁頂水平位移分別減小了30.7%和55.1%， 此時，L 取4 m 和6 m 時樁頂水平偏移值滿足規范要求。 如圖6（d）所示，當埋深H 取4 m 時，距離L 取2 m、4 m 和6 m 時的樁頂水平位移分別為11.4 mm、7.8 mm 和5.4 mm， 相對于距離L 取2 m 時，當L 取4 m 和6 m 時樁頂水平位移分別減小了31.6%和52.6%，此時，L 取4 m 和6 m 時樁頂水平偏移值滿足規范要求。

圖6 擋墻不同埋深和防護距離時的樁身水平位移曲線

從上述分析可以發現， 在距離L 取2 m 情況下，相對于埋深H 取1 m 時，埋深H 取2 m、3 m 和4 m 時樁頂水平位移分別減小了16.4%、36.8%和43.3%；在距離L 取4 m 情況下，相對于埋深H 取1 m 時，埋深H 取2 m、3 m 和4 m 時樁頂水平位移分別減小了21.1%、47.0%和53.0%；在距離L 取6 m情況下，相對于埋深H 取1 m 時，埋深H 取2 m、3 m和4 m 時樁頂水平位移分別減小了19.4%、59.0%和61.2%。

綜上可知， 通過增大擋墻埋深和增加擋墻與F墩柱之間距離可以有效地減小樁頂水平偏移，針對文中工況，在擋墻埋深≥3 m，擋墻與F 墩柱之間距離≥4 m 時能滿足工程需要。

4 結論

本文以某路堤填筑工程下穿既有橋梁樁基工程為例， 重點分析了路基填筑對橋梁樁基的影響，之后提出采用擋墻進行處理以減小路堤填筑產生的影響，并對擋墻的防護距離和埋深進行了討論研究，得到以下結論：

（1）樁頂水平位移最大，隨著樁深的增加，水平位移逐漸減小，當樁深到-10 m 位置左右時，水平位移趨于0。橋梁F 墩柱偏移量超過了規范允許值，需采取一定的措施進行加固處理。

（2）當擋墻埋深取1 m 和2 m 時，擋墻與F 墩柱之間距離取2 m、4 m 和6 m 時樁頂水平偏移均超出了規范值； 當擋墻與F 墩柱之間距離取2 m時，擋墻埋深取1 m、2 m、3 m 和4 m 時樁頂水平偏移也均超出了規范值。

（3）通過增大擋墻埋深和增加擋墻與F 墩柱之間距離可以有效地減小樁頂水平偏移，針對文中工況，在擋墻埋深≥3 m，擋墻與F 墩柱之間距離≥4 m時能滿足工程需要。