并橋位新建橋梁對(duì)既有橋梁樁基的影響分析

姜金鳳

(山東鐵路投資控股集團(tuán)有限公司 濟(jì)南 250102)

隨著交通建設(shè)的迅猛發(fā)展，跨江跨河長(zhǎng)大橋梁層出不窮。由于通道資源有限，為既符合橋下通航防洪要求，又滿足適宜建橋需要，越來(lái)越多的跨江河湖泊等障礙物的長(zhǎng)大橋梁采用并橋位建設(shè)方案，即新建橋梁與既有橋梁共走廊建設(shè)，新舊橋梁橋軸線平行布設(shè)、橋跨對(duì)孔設(shè)置。并橋位建橋時(shí)，新建橋梁與既有橋梁間距離往往較小，如何評(píng)價(jià)新建橋梁基礎(chǔ)對(duì)鄰近既有橋梁基礎(chǔ)的影響，已成為人們關(guān)注的重要問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)新建構(gòu)筑物對(duì)既有構(gòu)筑物的影響研究主要集中在隧道開(kāi)挖、建筑基礎(chǔ)實(shí)施、下穿道路等新構(gòu)筑物實(shí)施對(duì)既有構(gòu)筑物基礎(chǔ)的受力變形模擬與監(jiān)測(cè)等方面[1-4]，并橋位建設(shè)新橋?qū)扔袠蛄簶痘绊懙难芯枯^少，本文以某新建黃河公路大橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用巖土數(shù)值分析軟件，分析新建橋梁對(duì)臨近既有橋梁樁基變形及受力的影響。

1 工程背景

某既有黃河公路大橋于20世紀(jì)90年代建成通車，大橋路幅寬18.5 m，雙向四車道，其中主橋?yàn)?5 m+7×120 m+75 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)-連續(xù)梁橋，引橋?yàn)?0，50 m預(yù)制T梁。近年來(lái)，隨著交通量的持續(xù)增長(zhǎng)及汽車荷載的不斷增大，既有橋已不能滿足交通需求，為此擬在既有橋下游建設(shè)1座新的黃河大橋，新建橋與既有橋道路中心線間距30 m，橋面凈距4 m，橋梁孔跨布置按防洪主管部門要求并考慮新舊橋建成后協(xié)調(diào)性，采用與既有橋孔跨布置相同的中央索面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁部分斜拉橋，橋面寬33.5 m，設(shè)計(jì)為雙向六車道一級(jí)公路。

主橋段位于黃河主河槽及兩岸河漫灘，陸域表部主要為①大層種植土、素填土，水域?yàn)榉凵?，層?.0～3.5 m；上部主要為②大層全新統(tǒng)軟塑～可塑狀粉質(zhì)黏土、松散～稍密狀粉土、粉砂，層厚8.3～17.3 m；中部主要為③大層全新統(tǒng)可塑狀粉質(zhì)黏土、中密～密實(shí)狀粉土、粉細(xì)砂為主，層厚19.4～29.8 m；底部主要為④大層上更新統(tǒng)硬塑～堅(jiān)硬狀粉質(zhì)黏土、密實(shí)狀粉土及粉細(xì)砂，埋深34.4～44.4 m。

新建橋梁主墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)頂高程+54.3 m，埋入河床面以下2 m，承臺(tái)縱橫橋向尺寸為18.2 m×23.2 m，厚5 m，采用20根直徑2.0 m的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)92 m。既有橋主墩采用高樁承臺(tái)，承臺(tái)頂標(biāo)高61.5 m，承臺(tái)縱橫橋向尺寸為11.2 m×29.2 m，厚4 m，采用10根直徑2.0 m混凝土鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)82.5 m。新舊承臺(tái)間間凈距3.5 m，高差7.2 m，最小樁間距9.25 m，樁底標(biāo)高相差17.7 m。既有樁基與新建樁基立面關(guān)系見(jiàn)圖1，平面關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖1 既有樁基與新建樁基立面關(guān)系(單位：尺寸，cm；高程，m)

圖2 既有樁基與新建樁基平面關(guān)系(單位：cm)

2 有限元模擬

2.1 計(jì)算模型

采用巖土工程數(shù)值分析軟件midas-GTS建立樁基-承臺(tái)-土層數(shù)值分析模型，為減少尺寸邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響[5]，模型長(zhǎng)、寬、高分別取100，80，150 m?？紤]到實(shí)際工程特別是土層結(jié)構(gòu)、樁基承臺(tái)和上部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，實(shí)際建模中進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。模型的構(gòu)建主要含有既有承臺(tái)樁基結(jié)構(gòu)和新建承臺(tái)樁基結(jié)構(gòu)的的數(shù)值分析模型[6-8]，以重點(diǎn)考察新建橋梁樁基對(duì)既有橋梁樁基的影響。模型中樁基、承臺(tái)及土層均采用實(shí)體單元模擬，樁基與土層間接觸關(guān)系采用界面單元模擬，模型共劃分土體單元43 686個(gè)、節(jié)點(diǎn)54 860個(gè)，分析模型見(jiàn)圖3。

圖3 樁-土-承臺(tái)數(shù)值分析模型

2.2 土層模擬

新建橋承臺(tái)頂標(biāo)高為+54.3 m，既有橋承臺(tái)頂標(biāo)高為+61.5 m。由地勘資料可知，其下土層依次包括：粉土、黏土、粉質(zhì)黏土、中砂、細(xì)砂和粉砂。土層采用各向同性摩爾-庫(kù)侖模型模擬。通過(guò)設(shè)置參數(shù)對(duì)土層進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬，輸入土層參數(shù)為地勘資料提供的地質(zhì)參數(shù)，主要包括：壓縮模量、天然重度、天然孔隙比、黏聚力、內(nèi)摩擦角等，輸入各層土主要物理性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土計(jì)算參數(shù)

2.3 樁基礎(chǔ)模擬

樁基礎(chǔ)承臺(tái)與基樁均采用實(shí)體模擬[9]，基樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，彈性模量取3.15×104MPa，承臺(tái)為C40，彈性模量取3.25×104MPa，采用理想彈性本構(gòu)模型模擬。同時(shí)采用界面單元模擬樁土之間的接觸。承臺(tái)以上結(jié)構(gòu)主要為上部結(jié)構(gòu)箱梁及墩柱，實(shí)際模擬中將墩柱及混凝土箱梁及其承擔(dān)荷載作為換算均布荷載施加在承臺(tái)頂面。

2.4 邊界條件與荷載

土層頂面自由，在X方向約束垂直于X軸兩側(cè)節(jié)點(diǎn)位移，在Y方向約束垂直于Y軸兩側(cè)面節(jié)點(diǎn)位移；同時(shí)約束垂直于Z軸地面X、Y、Z方向位移。整個(gè)數(shù)值模擬中，為獲得數(shù)值收斂和實(shí)際加載條件，先施加土體自重，后施加既有橋樁基礎(chǔ)自重及上部結(jié)構(gòu)荷載以模擬既有橋?qū)Τ跏紤?yīng)力場(chǎng)的影響；最后將新建樁基礎(chǔ)、墩柱及橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載按施工順序施加在相應(yīng)的承臺(tái)上以模擬新建橋施工過(guò)程。施加荷載見(jiàn)表2。

表2 新建橋與既有橋承臺(tái)頂處施加荷載 kN

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 基礎(chǔ)變形

既有橋承臺(tái)不利工況下豎向變形見(jiàn)圖4。

圖4 既有橋承臺(tái)豎向變形(單位：m)

由圖4可見(jiàn)，新建橋建成后，在其恒載及運(yùn)營(yíng)活載共同作用時(shí)的最不利工況下，新建橋梁引起的既有橋承臺(tái)靠近新建橋側(cè)豎向位移增量最大為3.1 cm，遠(yuǎn)離新建橋側(cè)位移增量為最大0.4 cm，平均沉降值增量最大為2.7 cm，橫向傾斜度增量最大為1/1 081。

既有橋樁基豎向變形見(jiàn)圖5。

圖5 既有橋樁基豎向變形(單位：m)

由圖5可見(jiàn)，既有橋基樁最不利工況下靠近新橋側(cè)樁基沉降值增量為2.9 cm，遠(yuǎn)離側(cè)沉降值增量為0.7 cm，基樁沉降以下部土層壓縮為主，樁自身壓縮變形較小。

既有樁基橫橋向、縱橋向變形分別見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 既有橋樁基橫向變形(單位：m)

圖7 既有橋樁基縱向變形(單位：m)

由圖6、圖7可見(jiàn)，既有橋基樁基橫橋向最大變形增量為1.2 cm，縱橋向最大變形增量為0.6 mm。

施工期既有橋基礎(chǔ)變形影響見(jiàn)表3。

表3 施工期既有橋基礎(chǔ)變形累計(jì)值 mm

從表3結(jié)果來(lái)看，新建橋上部結(jié)構(gòu)施工后既有橋基礎(chǔ)平均沉降值增量為2.7 cm。由于新建橋上部結(jié)構(gòu)各墩同步施工且各墩地質(zhì)情況基本一致，可以認(rèn)為新建橋成橋及運(yùn)營(yíng)后既有橋各墩沉降值一致，為均勻沉降。而在施工期既有橋可能發(fā)生的不均勻沉降主要由各墩臺(tái)施工進(jìn)度不一導(dǎo)致，最大可能不均勻沉降值為1.4 cm，產(chǎn)生的橋面最大附加縱坡為0.012%，該值滿足規(guī)范中相鄰墩臺(tái)不均勻沉降差值不應(yīng)使橋面形成0.2%附加縱坡的要求。同時(shí)以該沉降值及橫向位移值對(duì)既有橋進(jìn)行承載能力及短暫狀況應(yīng)力計(jì)算，橋梁結(jié)構(gòu)受力滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

3.2 基礎(chǔ)受力

新建橋梁恒載及運(yùn)營(yíng)期汽車荷載對(duì)場(chǎng)地土體產(chǎn)生壓縮變形，并會(huì)對(duì)臨近的既有橋樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力，負(fù)摩阻力使樁身受力增加，對(duì)結(jié)構(gòu)安全不利。通過(guò)對(duì)比新建橋建設(shè)前后既有橋樁基礎(chǔ)樁身內(nèi)力的影響變化，可知樁身附加軸力變化幅值最大為1 462 kN。表4給出了靠近新建橋側(cè)，既有橋1、3、5號(hào)樁設(shè)計(jì)樁身軸力、樁身附加軸力及設(shè)計(jì)單樁承載力情況。

表4 既有橋樁基承載力 kN

由表4可知，施工階段及運(yùn)營(yíng)后既有橋單樁軸力仍小于單樁設(shè)計(jì)承載力，滿足規(guī)范要求。

既有橋在新建橋建成運(yùn)營(yíng)后其樁身最大應(yīng)力發(fā)生在角樁樁身頂部，最大壓應(yīng)力為8.68 MPa(受壓)，其余各樁樁身應(yīng)力在3.5～5 MPa(受壓)；既有橋承臺(tái)下緣應(yīng)力為1.18 MPa(受拉)、上緣應(yīng)力2.36 MPa(受壓)。承臺(tái)、樁基應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某新建黃河公路大橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用巖土數(shù)值分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，探討了并橋位新建橋梁樁基對(duì)既有橋梁樁基變形及內(nèi)力的影響，得到結(jié)論如下。

1) 在最不利工況下，新建橋梁樁基對(duì)既有橋靠近新橋側(cè)樁基豎向位移增量影響最大，達(dá)2.9 cm，而運(yùn)營(yíng)期既有橋平均沉降值為2.7 cm，最大橫橋向變形1.2 cm。施工期不均勻沉降為1.4 cm，不均勻沉降引起的附加縱坡及結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范限值要求。

2) 新橋建設(shè)增加了既有橋周邊土體沉降，導(dǎo)致既有橋樁基受力增大10%，按規(guī)范檢算后表明，既有橋單樁累計(jì)受力仍小于單樁設(shè)計(jì)承載力，滿足規(guī)范要求。

總體來(lái)看并橋位建設(shè)新橋?qū)扔袠虼嬖谝欢ㄓ绊?，施工過(guò)程中應(yīng)合理安排工期，各墩臺(tái)應(yīng)保持同步施工，避免施工進(jìn)度不一導(dǎo)致既有橋各墩臺(tái)不均勻沉降過(guò)大，從而保證安全運(yùn)營(yíng)。