高速公路既有路堤受橋梁施工影響的分析

周志林

(四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610041)

1 工程概況

某鐵路橋梁跨越既有高速公路，采用68 m+120 m+68 m連續(xù)梁跨越。其中5號(hào)梁的大承臺(tái)邊緣由高速路堤邊坡腳向內(nèi)延伸0.55 m，具體見(jiàn)圖1。橋梁施工對(duì)既有高速公路路基影響較大，為確保既有高速公路路堤安全，采用有限元分析橋梁施工時(shí)是否采取加固措施，路基沉降以及影響范圍。

2 有限元分析模型

2.1 計(jì)算模型

以該橋梁整個(gè)施工過(guò)程為實(shí)例建立三維有限元計(jì)算模型，模型裝配見(jiàn)圖2。

1)假定開(kāi)挖過(guò)程歷時(shí)較短，采用總應(yīng)力法分析，因施工采用機(jī)械施工，群樁基礎(chǔ)施工速度快，故不考慮土的固結(jié)和滲流的影響。2)模型僅考慮基坑外的地表的沉降與橋梁的沉降，因而把橋梁的自重與施加在橋梁上的荷載轉(zhuǎn)化為均勻荷載施加在承臺(tái)上。3)樁基之間的距離為4 m，為了簡(jiǎn)化模型的計(jì)算，土體與承臺(tái)寬度只取2 m，抗滑樁與樁基取一半，且在計(jì)算橋梁沉降時(shí)不考慮回填。4)高速公路活載參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中的公路—Ⅰ級(jí)車(chē)道荷載取值為10.5 kN/m2。

圖2 模型裝配圖

2.2 單元類(lèi)型與計(jì)算參數(shù)

模型所有土體與承臺(tái)結(jié)果復(fù)雜，采用C3D4(四節(jié)點(diǎn)線(xiàn)性四面體)單元;抗滑樁、樁基采用C3D8I(八節(jié)點(diǎn)線(xiàn)性六面體，非協(xié)調(diào)模式)單元更好的模擬變形，模型單元總數(shù)為12 693。抗滑樁和樁基與土體之間設(shè)接觸面，接觸面法向采用硬接觸，切向采用摩擦系數(shù)0.50，離散化方法采用面對(duì)面離散。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

為研究抗滑樁對(duì)高速路堤的保護(hù)效果，利用上文有限元模型分別對(duì)是否設(shè)置抗滑樁的兩種情況進(jìn)行計(jì)算。

3.1樁基開(kāi)挖對(duì)高速路堤路面的影響

樁基開(kāi)挖完成時(shí)是否設(shè)置抗滑樁高速路堤路面的沉降量、水平位移見(jiàn)圖3，圖4。從圖3可以看出，沉降量出現(xiàn)負(fù)值，說(shuō)明在樁基開(kāi)挖階段高速路堤出現(xiàn)隆起趨勢(shì)，而且設(shè)置抗滑樁時(shí)隆起的量比不設(shè)置抗滑樁的隆起量大，其原因是考慮地應(yīng)力，樁基開(kāi)挖使得地應(yīng)力減小，在未設(shè)置抗滑樁時(shí)，路堤本有一定的沉降量，兩者相互抵消，則出現(xiàn)該情況。從圖4可以看出，在未設(shè)置抗滑樁時(shí)，路堤的水平位移呈線(xiàn)性關(guān)系，而設(shè)置抗滑樁對(duì)路堤水平位移有減小作用，但因在該階段不設(shè)置抗滑樁時(shí)水平位移就不大，所以這種減小趨勢(shì)不是很明顯。從兩幅圖總體來(lái)看，在該階段兩種情況下的隆起最大值都不大于5 mm，水平位移量也不大于3 mm，而且是否設(shè)置抗滑樁的區(qū)別不是很明顯，其原因有二:1)樁基開(kāi)挖沒(méi)有伸入路堤邊坡，尚未直接破壞路堤邊坡;2)樁基開(kāi)挖面積小，開(kāi)挖半徑0.75 m。在這個(gè)施工階段是否設(shè)置抗滑樁，樁基的開(kāi)挖對(duì)高速路堤影響也不足以產(chǎn)生裂縫。

圖3 樁基開(kāi)挖時(shí)是否設(shè)置抗滑樁路堤沉降對(duì)比圖

圖4 樁基開(kāi)挖時(shí)是否設(shè)置抗滑樁路堤水平位移對(duì)比圖

3.2 基坑開(kāi)挖對(duì)高速路堤路面的影響

在基坑開(kāi)挖這個(gè)施工階段，未設(shè)置抗滑樁在0 m處沉降量最大，達(dá)到46.67 mm，而設(shè)置抗滑樁時(shí)最大沉降量3.72 mm。當(dāng)未設(shè)置抗滑樁，該階段對(duì)路堤的影響范圍達(dá)到6 m左右，6 m以后對(duì)路堤幾乎沒(méi)有影響。在該階段未設(shè)置抗滑樁時(shí)，對(duì)路堤的影響范圍達(dá)到8 m，發(fā)生最大水平位移在2 m處，達(dá)到53.88 mm，而設(shè)置抗滑樁時(shí)，最大水平位移不大于14 mm。顯而易見(jiàn)，在基坑開(kāi)挖階段，是否設(shè)置抗滑樁產(chǎn)生的影響的區(qū)別很顯著，未設(shè)置抗滑樁將破壞高速路堤路面，在路面上會(huì)產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重影響路堤路面使用功能;設(shè)置抗滑樁可以顯著減小高速路表面沉降和水平位移，起著保證路堤穩(wěn)定性效果。該階段對(duì)高速路堤的影響如此大其原因是，承臺(tái)的大面積開(kāi)挖，且此時(shí)已伸入路堤邊坡，嚴(yán)重破壞了路堤邊坡，此時(shí)應(yīng)預(yù)先采取一定保護(hù)措施，否則將嚴(yán)重破壞路堤的穩(wěn)定性。

3.3 樁基與基坑開(kāi)挖抗滑樁承載力比對(duì)

抗滑樁在樁基與基坑開(kāi)挖兩階段應(yīng)力都是隨著抗滑樁深度增加而加大，達(dá)到14 m深度左右位置增加到最大，然后隨著深度增加應(yīng)力反而減小。在基坑開(kāi)挖時(shí)，最大應(yīng)力達(dá)到6.26 MPa，而且基坑開(kāi)挖階段最大應(yīng)力大約是樁基開(kāi)挖階段的2倍。綜上所述，在設(shè)計(jì)抗滑樁強(qiáng)度和埋置深度時(shí)要按基坑開(kāi)挖階段進(jìn)行，保證抗滑樁要有足夠的強(qiáng)度以及埋置深度，埋置深度需要大于14 m，再考慮需要一定的深度來(lái)緩沖該工程情況20 m最為合適。

3.4 橋梁施工過(guò)程樁基與樁間土沉降

隨著樁基深度加深，樁基、樁間土的沉降量都隨著減小，樁基呈線(xiàn)性減小，樁間土因各深度地質(zhì)情況不同而非線(xiàn)性減少。在樁基深度14 m前，樁間土沉降量大于樁基沉降量，即在這段深度樁基受到負(fù)摩擦力，因這段深度土質(zhì)較差?？梢?jiàn)樁基深度達(dá)到14 m后，土體才賦予樁基摩阻力。當(dāng)達(dá)到24 m以后，樁間土沉降量不大于1 mm，而且趨于漸漸平緩趨勢(shì)，這是因該深度以后土質(zhì)變得堅(jiān)硬。樁基、樁間土在樁端處，沉降量都不大于0.5 mm，樁基沉降量略大，但不大于0.1 mm，可見(jiàn)該樁基是摩擦樁。

3.5 橋梁施工過(guò)程樁基與樁間土應(yīng)力

橋梁施工過(guò)程樁基與樁間土應(yīng)力隨著深度加深呈線(xiàn)性增加，而樁基應(yīng)力隨著深度加深先增加，再減小，4 m～24 m這段深度基本保持平衡，都在5.1 MPa左右，24 m以后逐漸減小，在樁基的樁端處3.18 MPa。樁基與樁間土的應(yīng)力差數(shù)十倍。綜上所述，說(shuō)明承臺(tái)、上部結(jié)構(gòu)的自重及荷載主要靠樁基來(lái)傳遞給下層持力層。樁基必須有足夠的強(qiáng)度及埋置深度。

4 結(jié)語(yǔ)

1)橋梁施工前必須先采取有效措施保護(hù)臨近建筑設(shè)施，避免對(duì)臨近建筑物穩(wěn)定性破壞。2)在施工時(shí)設(shè)置抗滑樁可以作為一種保護(hù)臨近建筑設(shè)施的措施，滿(mǎn)足工程需要。3)抗滑樁強(qiáng)度及埋置深度都應(yīng)滿(mǎn)足工程要求，在抗滑樁設(shè)計(jì)時(shí)要以基坑開(kāi)挖階段進(jìn)行考慮。4)有限元理論分析在巖土中預(yù)測(cè)沉降效果顯著，值得參考。5)樁基在一定深度范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生負(fù)摩擦力，主要由堅(jiān)硬的下層土質(zhì)來(lái)賦予樁基摩阻力。6)上部荷載主要是靠樁基傳遞到持力層，樁基強(qiáng)度與埋置深度一定要滿(mǎn)足要求。

［1］張治國(guó)，黃茂松，王衛(wèi)東.鄰近開(kāi)挖對(duì)既有軟土隧道的影響［J］.巖土力學(xué)，2009，30(5):1373-1379.

［2］翟杰群，賈 堅(jiān)，謝小林.隔離樁在深基坑開(kāi)挖保護(hù)相鄰建筑中的應(yīng)用［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010，6(1):162-166.

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