樁基礎(chǔ)和隔離樁在控制路堤對(duì)橋基影響中的應(yīng)用研究

張中行，高 林，吳龍生，杜 杰

(1.中國(guó)電建集團(tuán) 海南電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，海南 海口 570100；2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 210096)

后期新建路堤產(chǎn)生的荷載會(huì)對(duì)既有橋梁基礎(chǔ)(多數(shù)是樁基礎(chǔ))產(chǎn)生不利的影響，如造成樁身?yè)锨踔翑嗔?、不均勻沉降、橋臺(tái)傾斜等，因此必須采取必要措施來(lái)控制這一影響。

已有研究中，大多基于工程背景采用數(shù)值模擬的方法來(lái)研究。劉靜等[1]和朱彬等[2]分別結(jié)合工程背景建立數(shù)值模型研究了地鐵隧道對(duì)既有橋梁基礎(chǔ)的影響。岳齊賢等[3]采用數(shù)值模擬的方法研究了沉井施工對(duì)既有橋基的影響。周勇等[4]利用PLAXIS 3D軟件建立三維模型分析了地鐵施工對(duì)臨近樁基的影響。此外，隧道開(kāi)挖對(duì)既有樁基的影響方面已有不少研究[5-8]，也有涉及基坑施工對(duì)既有樁基影響的研究[9-10]。在路堤填筑方面，鄭健龍等[11]通過(guò)數(shù)值模擬研究了軟土地基條件下橋頭路基填筑對(duì)橋臺(tái)樁的影響。上述研究中多以影響分析為主，且多數(shù)是關(guān)于隧道和基坑開(kāi)挖對(duì)既有樁基礎(chǔ)的影響分析。

關(guān)于影響控制措施方面，宋春雨等[12]以哈爾濱市松花江北岸濱江大道工程穿越松花江跨江大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，基于垂向二維有限元模型及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究了土工格柵加筋、鉆孔灌注樁隔離及注漿處理等綜合措施的可行性。但平面模型存在一定的局限性，較難反映控制措施的實(shí)際應(yīng)用效果。鄭明新等[13]通過(guò)理論分析了設(shè)置豎向排水體、改變橋頭位置來(lái)減小路堤的填筑高度、樁式復(fù)合地基以控制路堤填筑荷載對(duì)軟基橋臺(tái)樁基的影響。馮勝洋等[14]則通過(guò)數(shù)值模擬分析了豎向排水體在控制路堤填筑荷載對(duì)軟基橋臺(tái)樁基的影響上的作用。兩者的研究針對(duì)軟基橋臺(tái)樁基，并不適用一般土體中的橋基，且采用的措施較為單一。

因此，關(guān)于新建路堤對(duì)既有橋基的影響控制措施分析仍有很大必要性，如何更好地優(yōu)化控制措施以及不同控制措施之間效果的對(duì)比值得進(jìn)一步研究。本文以蘇通大橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過(guò)數(shù)值模擬研究路堤下設(shè)置樁基礎(chǔ)以及路堤邊緣設(shè)置隔離樁對(duì)橋基影響的控制效果，分析不同設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，并對(duì)比分析兩種措施的控制效果。

1 模型建立與工況設(shè)定

1.1 工程背景

蘇通大橋位于江蘇省南通市與蘇州市之間，全長(zhǎng)32.4 km，其中跨江部分長(zhǎng)8 146 m。后因規(guī)劃需要，需建設(shè)路堤從蘇通大橋北引橋的46#和47#橋墩中間穿過(guò)，擬建路堤寬為9.6 m，位于兩橋墩之間的中心位置，其中心線距兩側(cè)橋基中心線的距離為37.5 m。路堤構(gòu)造為：路堤上部主要由承臺(tái)構(gòu)成，承臺(tái)內(nèi)部含有路堤填土，填土頂部蓋有路面板；承臺(tái)底部由三排灌注樁所支撐，樁底標(biāo)高為-30 m，中心排樁樁身直徑為1 m，樁間距為2.5 m，兩側(cè)排樁樁身直徑為1 m，距路堤中心4 m，樁間距為1.1 m。46#和47#橋墩下各自有兩個(gè)群樁，沿橋軸線對(duì)稱布置，群樁承臺(tái)外緣間距6.4 m，群樁的基樁布置如圖1所示，承臺(tái)尺寸均為12 m×11 m×3 m，樁徑為1.8 m，樁頂標(biāo)高為-2.00 m，樁底標(biāo)高為-92.00 m。

土層分布及物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示，其中彈性模量是根據(jù)壓縮模量的三倍取得[15]。

圖1 橋基設(shè)計(jì)圖(俯視圖)(單位：mm)

1.2 模擬方法

采用PLAXIS 3D軟件建立三維模型，土體采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，各土層的設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表1，這種本構(gòu)模型在巖土數(shù)值模擬中十分常見(jiàn)，能夠較好地模擬土體的受力變形特征。樁基礎(chǔ)采用Embedded樁來(lái)模擬，樁與土之間的界面行為采用彈-塑性模型來(lái)描述，采用這種樁土接觸模型能夠較方便地讀出樁身軸力及樁土摩擦力，且計(jì)算簡(jiǎn)便。樁與承臺(tái)為混凝土材料，其彈性模量取30 GPa，泊松比為0.2，重度為25 kN/m3。路堤高6 m，填土重度20 kN/m3?？紤]對(duì)稱性，取四分之一模型建模，通過(guò)試建模型可知，取平面尺寸為100 m×100 m，深度方向取120 m時(shí)，模型各側(cè)面的法向位移及底面的各向位移接近0，則此時(shí)可約束四個(gè)側(cè)面邊界的法向位移，完全約束底面，頂面則自由無(wú)約束，模型如圖2所示。

1.3 工況設(shè)置

為分析控制措施的效果，首先分析無(wú)控制措施工況下新建路堤對(duì)既有橋基的影響；然后考慮不同的樁長(zhǎng)和樁間距，模擬研究路堤下設(shè)置3排樁基礎(chǔ)的控制效果；再考慮不同的樁長(zhǎng)、樁間距和距離路堤邊緣距離，模擬研究路堤邊緣設(shè)置1排隔離樁的控制效果；最后對(duì)比分析兩種措施的控制效果。工況中樁長(zhǎng)的變化是結(jié)合土層的變化設(shè)定的，即樁端持力層的選擇；樁間距的選擇是結(jié)合承臺(tái)下各基樁的受力特性(邊樁受力大、中間樁受力小)和常用樁距而定。具體工況如表2和表3所示。

表2 路堤下樁基礎(chǔ)的工況設(shè)置

表3 路堤邊緣隔離樁的工況設(shè)置

2 計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)于樁基水平位移，取遠(yuǎn)離路堤方向?yàn)檎?，靠近路堤方向?yàn)樨?fù)；對(duì)于樁基豎向位移，規(guī)定位移方向向下為正，因此樁基沉降全為正值；對(duì)于樁基軸力，規(guī)定壓力為正，拉力為負(fù)。計(jì)算結(jié)果顯示，路堤荷載作用下8根橋梁基樁的變形和內(nèi)力變化規(guī)律相同，僅數(shù)值上有差異，為節(jié)省篇幅，本文選取受影響最大的基樁作為分析對(duì)象。

2.1 路堤下設(shè)置樁基的控制效果研究

圖3是路堤下不同樁長(zhǎng)對(duì)橋基水平位移的影響曲線，從圖3中可以看出，路堤下設(shè)置樁基后，橋臺(tái)樁基水平位移得到了明顯的控制，且隨著樁長(zhǎng)的增加，橋臺(tái)樁基水平位移不斷降低，特別是當(dāng)樁長(zhǎng)達(dá)到60 m時(shí)，正負(fù)方向水平位移均有大幅下降，最大水平位移比路堤下無(wú)樁基時(shí)降低了約40%。路堤下無(wú)樁工況下橋基最大水平位移發(fā)生在標(biāo)高-36 m左右處，方向遠(yuǎn)離路堤方向，設(shè)置隔離樁后橋基最大水平位移發(fā)生在樁頂位置，方向偏向路堤一側(cè)。

與橋臺(tái)樁基水平位移的變化規(guī)律相似，圖4中呈現(xiàn)的橋臺(tái)樁基豎向沉降變化規(guī)律顯示，路堤下設(shè)置樁基后，橋基豎向沉降得到控制，路堤下基樁樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，橋臺(tái)樁基沉降越小，當(dāng)樁長(zhǎng)達(dá)到60 m時(shí)橋基沉降控制效果最好，相比路堤下無(wú)樁基的工況豎向沉降從6.5 mm減小到4.2 mm，降低了35.4%。

之所以出現(xiàn)樁長(zhǎng)達(dá)到60 m時(shí)，控制效果顯著提升，其原因是地基土中存在一相對(duì)軟弱土層，即4-2亞黏土層(標(biāo)高-32.34 m～-58.84 m)。圖5是不同樁長(zhǎng)時(shí)土體的側(cè)向變形云圖，可以發(fā)現(xiàn)，雖然隨著樁的設(shè)置及樁長(zhǎng)的增大，土體側(cè)向變形不斷減小，但當(dāng)樁底標(biāo)高未超過(guò)-60 m時(shí)(樁基未穿過(guò)4-2層)，由于第四層土強(qiáng)度指標(biāo)低、彈性模量小，土體的最大側(cè)向變形集中在4-2層，樁基無(wú)法將路堤荷載對(duì)土體的影響傳遞至更深的土層，進(jìn)而側(cè)向擠壓橋基。當(dāng)樁底標(biāo)高達(dá)-60 m時(shí)，樁端已穿越4-2層，此時(shí)持力層為工程性質(zhì)較好的5-2-1層，土體變形主要是樁端開(kāi)始近似呈45°角向斜下方擴(kuò)散，樁基將路堤荷載對(duì)土體的影響傳遞至更深的土層，從而顯著降低了路堤對(duì)鄰近橋基的影響。橋基豎向沉降隨樁長(zhǎng)的變化規(guī)律，其原理與水平變形的原理是一致的。

橋基樁身彎矩隨樁長(zhǎng)的變化如圖6所示，從圖6中可以看出，當(dāng)樁長(zhǎng)只有30 m或40 m時(shí)，路堤下設(shè)置樁基對(duì)橋基樁身的彎矩并無(wú)明顯改善效果，甚至在局部位置還略有增大，但當(dāng)樁長(zhǎng)為50 m和60 m時(shí)，橋基樁身最大彎矩明顯減小，且樁長(zhǎng)越長(zhǎng)橋基樁身大彎矩越小。相比于無(wú)樁工況，路堤下樁長(zhǎng)為60 m時(shí)樁身最大彎矩降低了約16%。

圖7是樁身軸力隨樁長(zhǎng)的變化曲線，從圖7中可以看出，除樁長(zhǎng)為60 m的工況外，其余工況下橋基樁身都出現(xiàn)了負(fù)摩阻力，且樁長(zhǎng)為30 m～50 m之間時(shí)，樁身最大軸力比路堤下無(wú)樁時(shí)更大。只有路堤下樁基的樁長(zhǎng)達(dá)到60 m時(shí)，樁身才無(wú)負(fù)摩阻力，樁身軸力明顯減小。

2.2 路堤邊緣設(shè)置隔離樁的控制效果研究

2.2.1 隔離樁樁長(zhǎng)的不同對(duì)鄰近橋基的影響

在路堤兩側(cè)各設(shè)置1排隔離樁，隔離樁距路堤邊緣1 m，樁間距2 m，考慮樁長(zhǎng)分別為30 m、40 m、50 m和60 m四種工況。

不同隔離樁樁長(zhǎng)下橋梁樁基水平位移變化曲線如圖8和圖9所示，從圖中可以看出，與路堤下設(shè)置樁基的規(guī)律一致，設(shè)置隔離樁后，隨著隔離樁樁長(zhǎng)增加，樁基最大水平位移不斷降低。當(dāng)樁長(zhǎng)為60 m時(shí)，對(duì)橋基水平位移的控制效果顯著增強(qiáng)，相比于無(wú)隔離樁工況最大水平位移降低了55.3%。橋梁樁基的豎向沉降方面也是一樣，設(shè)置隔離樁可顯著降低橋梁樁基的豎向沉降，并且隔離樁越長(zhǎng)，對(duì)橋基豎向沉降的調(diào)控作用越有效，隔離樁樁長(zhǎng)為60 m時(shí)橋基豎向沉降比無(wú)隔離樁工況降低了34.2%。隔離樁樁長(zhǎng)為60 m時(shí)控制效果明顯提升的原因與2.1節(jié)中描述的相同。

不同隔離樁樁長(zhǎng)下橋基樁身彎矩和軸力變化曲線分別如圖10和圖11所示。從圖10中可以看出，當(dāng)隔離樁樁長(zhǎng)為30 m和40 m時(shí)，無(wú)法對(duì)樁身彎矩起到控制作用，甚至在樁長(zhǎng)為40 m時(shí)，樁身彎矩反而增大了，這是因?yàn)闃堕L(zhǎng)不夠長(zhǎng)時(shí)，基樁將路堤荷載更多地傳遞到靠近相對(duì)軟弱層，而正向最大彎矩就是發(fā)生在土層1-3和4-2的交界面處。當(dāng)隔離樁樁長(zhǎng)達(dá)到60 m時(shí)，可有效降低樁身最大彎矩。與無(wú)隔離樁工況相比，設(shè)置60 m長(zhǎng)的隔離樁后橋基樁身最大彎矩降低了13.8%。從圖11中可以看出，當(dāng)隔離樁樁長(zhǎng)在50 m范圍內(nèi)時(shí)，橋基樁身在深度40 m左右都出現(xiàn)了負(fù)摩阻力，只有當(dāng)樁長(zhǎng)達(dá)到60 m時(shí)，負(fù)摩阻力才消失，即樁身軸力明顯減小。這是因?yàn)楦綦x樁未穿越4-2層土?xí)r，由于隔離樁的設(shè)置反而把路堤荷載更多地傳遞到4-2層土中，這樣4-2層土的自身壓縮量比樁身下沉量反而更大，因此產(chǎn)生負(fù)摩阻力。

2.2.2 隔離樁距路堤邊緣對(duì)鄰近橋基的影響

將長(zhǎng)為60 m的隔離樁分別設(shè)置在距路堤邊緣為1 m、5 m和20 m的位置處，分析橋基的變形和內(nèi)力變化規(guī)律。橋基樁身水平位移和豎向沉降變化如圖12和圖13所示，從圖中可以看出，隨著隔離樁距路堤邊緣的距離增大，橋基樁身的最大水平位移和豎向沉降都隨之增大，特別是隔離樁距路堤邊緣5 m增大到20 m時(shí)，橋基樁身位移和沉降都顯著增大。

橋基樁身彎矩和軸力的變化曲線如圖14和圖15所示，從圖中可以看出，隔離樁與路堤邊緣距離從1 m增大到5 m的工況下，橋基樁身彎矩和軸力略有增大，但當(dāng)距離增大到20 m時(shí)，橋基樁身內(nèi)力有明顯的增大。因此，不論從變形還是內(nèi)力的角度而言，隔離樁都應(yīng)盡可能設(shè)置在路堤邊緣處。

2.3 兩種控制措施的效果對(duì)比分析

為保證可比性，選擇兩種控制措施樁長(zhǎng)皆為60 m，隔離樁距路堤邊緣1 m的工況。在橋基水平位移控制方面，相比于無(wú)控制措施工況下的最大水平位移降低約55%，而路堤下設(shè)置樁基礎(chǔ)工況下的最大水平位移降低了約40%，顯然隔離樁的控制效果更好。在橋基豎向沉降控制方面，路堤下設(shè)置樁基礎(chǔ)工況下的豎向沉降比無(wú)控制措施工況降低了35.4%，設(shè)置隔離樁時(shí)降低幅度為34.2%，兩者的控制效果相差很小。橋基樁身彎矩方面，路堤下設(shè)置樁基礎(chǔ)比無(wú)控制措施降低了15.7%，設(shè)置隔離樁時(shí)降低幅度為13.8%，兩者的控制效果相差不大。軸力控制方面，兩種控制措施下橋基樁身最大軸力相差極小，可忽略不計(jì)。

3 結(jié) 論

(1) 路堤下設(shè)置樁基礎(chǔ)和路堤邊緣設(shè)置隔離樁都可以減小因路堤穿越對(duì)橋基的影響，且樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，控制效果越好，隔離樁應(yīng)設(shè)置在路堤邊緣。當(dāng)?shù)鼗林写嬖谲浫跬翆訒r(shí)，樁基礎(chǔ)宜穿越軟弱土層落在較好的土層之中，這樣會(huì)明顯提高控制效果。

(2) 本文設(shè)置工況下，設(shè)置隔離樁在橋基水平位移控制方面效果更好，但在豎向沉降和樁身內(nèi)力方面控制效果略差。如果不考慮樁基對(duì)路堤沉降的控制因素，設(shè)置隔離樁更為合理。