堤圍加固對廣肇高速橋梁的影響分析

馮佳佳，于金媛，雷艷紅，朱登遠

（1.西藏大學工學院，拉薩 850000；2.肇慶市公路發展有限公司，廣東 肇慶 526040）

1 引言

橋梁是道路工程的重要組成部分，作為道路交通建設的重要組成部分，橋梁的安全問題日益引起人們的關注[1]。橋梁在建設的過程中存在施工難度大，施工環境差的問題。在橋梁服役過程中，受到各種因素的干擾，橋梁基礎和橋墩容易產生變形甚至破壞。若橋墩或者基礎變形過大不僅會對道路線形造成影響，而且可能會造成橋梁路面的開裂，影響其耐久性與安全性[2]。正在服役的廣肇高速某段橋梁下部堤圍拓寬與加固改變了原有橋梁基礎地基的應力狀態，本文對該橋梁在下部堤圍施工影響下的基礎與橋墩進行變形與強度分析。

2 工程概況

廣肇高速某段大橋距離蓮塘圍較近橋墩的位置樁號為LT5+115~LT5+200。蓮塘圍除險加固工程在該交互區段，堤頂寬度由7.5 m拓寬至20 m，并以1∶2~1∶3放坡至高程約12.5 m處，以擋土墻擋護，堤圍加固前后斷面形式變化較大，靠近橋墩側新增回填砂類土及混凝土擋墻，同時堤頂路由兩車道變為4車道。由平面圖圖1可知，部分堤頂及上堤輔路下穿廣肇高速，加固堤圍坡腳距離橋墩最近處約2.5 m。

該堤圍加固工程涉及廣肇高速大橋引橋9#~13#墩。該橋梁上部結構為預應力混凝土空心板梁，其中A12墩位于聯端，小樁號側為16 m跨徑，大樁號側為12 m+2×20 m+19.1 m+20 m+8.9 m跨徑，設置多孔橋面連續，采用球冠圓板式橡膠支座；下部采用鉆孔灌注樁，樁基直徑1.2 m，樁長約40 m，橋墩直徑1.0 m，墩高約9.5 m，樁間系梁1.2m×1.0 m，墩頂蓋梁為1.2 m×1.2 m（16 m跨徑聯）、1.4 m×1.2 m（20 m跨徑聯）。

該區域地質條件為及其參數的選取如表1所示。

圖1 交互區段平面圖

表1 土層參數表

3 計算模型的建立

3.1 計算模型

本次計算堤圍加固及車輛荷載對橋墩影響，采用有限元分析軟件進行分析，該軟件可以支持靜力分析、動力分析等多種分析類型，適用于本次樁基計算的準確建模與分析。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

本模型土體高49.5 m，長200 m，寬120 m，共計約50 000個單元。其中土體、堤壩、道路、擋土墻等采用實體單元，壩體、上堤路、上堤輔路、加固壩體采用前述0#土層。樁基采用植入式梁單元；蓋梁、系梁、橋墩、板梁采用梁單元[3]。

約束條件：本模型各實體單元采用共節點連接，模型對土體（包含壩體）四周及底部進行約束；樁頂節點采用植入式梁單元與土體連接（與共節點類似），單元長度約2 m；擋土墻等需要開挖土體后澆筑混凝土，此處采用改變網格性質約束法實現材料的轉換。

3.2 荷載施加

3.2.1 堤圍加固荷載

本荷載通過建立“加固壩體”模型進行加載，模型最大限度地模擬了加固前、后壩體實際堆土情況，“加固壩體”自重是對交互區段橋梁樁基影響的主要因素。

3.2.2 上部結構荷載

通過橋梁通軟件計算橋梁上部結構傳遞至墩頂荷載，荷載主要包括：結構恒載、汽車活載、溫度力、制動力等。所提荷載采用基本組合，其中結構恒載對計算結果有利，分項系數取1.0，其他荷載分項系數參考JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》[4]。

各樁位處墩頂（用于模型施加）、樁頂（用于計算樁基承載力）荷載計算結果如表2所示。

表2 橋梁墩頂荷載設計值

3.3 計算工況

1）分層建立土體模型，添加土體邊界條件，施加重力，形成初始應力場。

2）建立橋梁模型，包括樁基、系梁、墩柱、蓋梁、主梁；建立初始堤圍模型，包括初始壩體、上堤路、上堤輔路；墩頂施加上部荷載；位移歸零[5]。

3）建立加固堤圍模型，包括加固壩體、LT5+140至大樁號末端擋墻，此工況為當前現場實際情況。

4）建立后續施工模型，即建立LT5+115~LT5+140處擋墻。

4 計算結果

4.1 堤圍加固（堆載工況）

4.1.1 樁體位移

根據有限元模型計算結果，樁體橫向位移分析圖（堆載工況下）如圖3所示，由結果可知，9#、10#樁基受堤圍加固影響最大，樁體受壩體加固影響產生最大15 mm位移，樁頂最大8.5 mm位移；樁體最大位移位于樁頂（系梁）以下約7 m處。

圖3 樁體橫向位移圖（堆載工況）

4.1.2 樁墩彎矩

根據有限元模型計算結果，各墩位處樁體（堆載工況下）橫橋向彎矩如圖4所示，由結果可知，9#~11#樁基受堤圍加固影響最大，樁體受壩體加固影響產生最大1 094 kN·m彎矩，樁頂最大359 kN·m彎矩；樁體最大彎矩位于樁頂（系梁）以下約7 m處；墩柱底部彎矩較小，最大約106 kN·m。

圖4 樁墩彎矩圖（堆載工況）

4.2 增設擋土墻（擋土墻工況）

4.2.1 樁體位移

根據有限元模型計算結果，各墩位處樁體（擋土墻工況）位移如圖5所示，由計算結果可知，建設LT5+115~LT5+140處擋墻，使11#~13#樁基產生0.4 mm的橫向位移。

圖5 樁體橫向位移圖（擋土墻工況）

4.2.2 樁墩彎矩

根據有限元模型計算結果，各墩位處樁體（擋土墻工況）橫橋向彎矩匯總如圖6所示。由結果可知，建設LT5+115~LT5+140處擋墻，對11#~12#樁頂造成最大65 kN·m彎矩，對樁體造成最大78 kN·m彎矩，對墩底影響很小。

圖6 樁墩彎矩圖（擋土墻工況）

5 結論

1）在廣肇高速橋梁樁基礎處的堤圍處施工會對已有橋梁的基礎產生影響，其中大量堆載壓實使樁基產生橫向位移最大值為15 mm，出現在距離樁基頂部以下7 m處；后期擋土墻的施工會使臨近樁基產生位移，其中臨近樁基產生的橫向最大位移為0.4 mm。分析原因，大量的堆載壓實使土中附加應力增加，引起土體的不均勻沉降，靠近堤圍側沉降量大，遠離堤圍側沉降量小，土體的不均勻沉降導致樁體發生側向位移；擋土墻的澆筑與施工會對臨近樁基產生影響，但是總體影響較小。由此可見，樁基的位移主要是由于堆載引起的而非施工擾動產生的。

2）堤圍堆載造成樁體在樁頂以下7 m處產生最大彎矩1 094 kN·m，同時引起墩底最大彎矩106 kN·m；后期擋土墻的修建對樁體產生的彎矩最大為78 kN·m，對墩底基本上無影響。因此，需要堤圍堆載施工前，核對樁基與墩柱的抗彎性能是否滿足條件，在施工期間密切監測樁基與墩柱的應力應變[6]。