新建框架-土石組合海堤對跨海橋梁基礎(chǔ)影響分析

胡祥森，沈旭東

（浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，杭州310030）

1 引言

浙江沿海地區(qū)土地資源緊張，灘涂區(qū)圍墾是開發(fā)土地面積的有效辦法。 隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，跨海橋梁日益增多，圍墾海堤與橋梁交叉的情況時有發(fā)生。 沿海灘涂表層的軟土力學(xué)性質(zhì)差，軟土層深厚，在其上新建的常規(guī)土石海堤沉降量大，最終沉降可達(dá)2 m 以上，且沉降穩(wěn)定期長；在沉降尚未完全穩(wěn)定之前修建公路， 將對橋梁下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的擠推效應(yīng)，跨海工程的建設(shè)需要擱置，進(jìn)而影響整個區(qū)域路網(wǎng)的謀劃。

浙江省三門灣大橋在寧海三門灣海域與規(guī)劃三山涂圍墾海塘工程存在兩處垂直交叉，建設(shè)工程重疊，兩個省市重點(diǎn)工程面臨“二選一”的局面。

近年來， 針對圍墾工程對橋梁樁基的影響國內(nèi)已開展了一些研究，但國內(nèi)的研究重點(diǎn)側(cè)重于海堤平行公路的情況，公路垂直上跨海堤的情況鮮有研究[1]。本文以三門灣大橋和三山涂圍墾工程交叉段為研究對象，介紹了研究采用的框架-土石組合海堤， 并針對框架海堤的采用長度進(jìn)行了彈塑性空間有限元參數(shù)分析，隨后研究了施工順序、堤頂車輛荷載對橋梁樁基的影響。 本文對建成后的橋梁位移進(jìn)行了定期觀測，將實(shí)測結(jié)果和理論分析成果進(jìn)行了對比。

2 工程概況

三門灣大橋非通航孔引橋與三山涂圍墾垂直交叉處采用跨徑40 m 的整孔預(yù)制-梁上運(yùn)架混凝土箱梁， 圍堤兩側(cè)單幅橋墩樁基采用六樁群樁基礎(chǔ)，摩擦樁，設(shè)計樁長為84.5 m，單樁樁頂設(shè)計值約為1 000t[2]，橋梁下部構(gòu)造見圖1。三山涂圍墾工程位于三門灣海域內(nèi)側(cè)， 其中三山涂片海堤總長23.6 km，呈“U”形布置，海堤兩次下穿三門灣大橋非通航孔橋，其一般土石海堤斷面見圖2。

圖1 橋梁下部設(shè)計圖（單位:cm）

圖2 一般土石海堤典型斷面圖

考慮到一般土石海堤沉降較大（總沉降量一般在2～3 m），橋梁樁基允許沉降量較?。ㄒ话阍诶迕琢考墸绻麅蓚€工程交叉施工， 土石海堤結(jié)構(gòu)將對跨海大橋樁基產(chǎn)生難以克服的負(fù)摩阻力和橫向擠推力。 因此，三山涂圍墾工程創(chuàng)新性地提出了雙排長短密排樁基礎(chǔ)的框架海堤結(jié)構(gòu)（其斷面見圖3），通過框架結(jié)構(gòu)的采用大幅降低了海堤自重， 并將框架結(jié)構(gòu)的豎向力通過密排樁傳遞至深層土， 同時框架海堤基底土體采用水泥攪拌樁加固，承受閉氣土和拋石重量[3]?？蚣?土石組合海堤由框架海堤段、漸變段、土石海堤段組成，在不大幅增加造價的前提下有效控制了對橋梁的影響。

圖3 交叉段框架海堤典型斷面

3 基于F L A C 3D 軟件有限元分析的關(guān)鍵問題

本文橋梁結(jié)構(gòu)和框架-土石組合海堤的非線性影響，采用有限元軟件FLAC 3D 進(jìn)行模擬。 地基土體和海堤均采用實(shí)體單元模擬，橋梁樁基與承臺采用各向同性理想彈性模型，地基土體采用摩爾庫侖理想彈塑性本構(gòu)模型， 樁土結(jié)構(gòu)采用接觸單元連接，對關(guān)鍵的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換[4]。

3.1 土體體積模量與剪切模量

FLAC 3D 中彈性材料模型須定義兩個參數(shù)： 體積模量K與剪切模量G。 由于工程地質(zhì)資料中僅給出土層壓縮模量Es、泊松比μ 等參數(shù)，因此，要通過一定的換算才能得到數(shù)值模型中需要的體積模量K 與剪切模量G 參數(shù)值。體積模量K、剪切模量G 與彈性模量E、泊松比μ 之間具有如式（1）和式（2）所示關(guān)系[5]：

壓縮模量Es、泊松比μ 與彈性模量E 之間滿足式（3）關(guān)系：

3.2 樁土接觸彈簧模擬

橋梁樁基與地基土體之間采用接觸單元連接。 模型分析中，接觸單元法向彈簧剛度kn與切向彈簧剛度ks取接觸面相鄰區(qū)域“最硬”土層等效剛度的10 倍[6]。

式中，Δzmin為接觸面法向方向上連接區(qū)域上的最小尺寸。

實(shí)際工程中常用的灌注樁樁土接觸界面比較粗糙，接觸面的摩擦性比較好，因此，對于灌注樁樁土接觸面，其摩擦角φj與黏聚力cj可以取與樁基相接處土層摩擦角φ、 黏聚力c的0.8 倍左右。

4 框架-土石組合海堤影響分析

4.1 模型建立

計算中假定海堤一次加載，只考慮海堤的整體作用。 由于結(jié)構(gòu)的對稱性，橋梁樁基深84.5 m，斷面寬320 m，對框架海堤長度進(jìn)行參數(shù)分析， 流體力學(xué)邊界條件為四周及底部為不透水邊界， 地表面為自由透水面； 力學(xué)邊界條件為四周滑動支持，底部固結(jié)[7]。 計算模型見圖4。

圖4 垂直段海堤模型

4.2 計算工況

常規(guī)土石海堤堤身范圍內(nèi)豎向位移達(dá)2 m 以上， 框架式海堤由于自重輕、 斷面小， 自重重力能通過樁基礎(chǔ)傳至深層土，對兩側(cè)橋樁的影響小，但其造價高昂。 因此，綜合考慮擠壓效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)性，框架-土石組合海堤中框架段的長度和橋樁力學(xué)反應(yīng)是計算分析的重點(diǎn)。 本文選取了6 種框架段長度分別為距離橋梁中心線0 m、50 m、100 m、150 m、200 m、250 m，研究框架段長度對橋梁樁基變形和受力的影響。 施工時序均按海堤施工完3 個月后施工橋梁樁基考慮。

4.3 計算結(jié)果

根據(jù)有限元分析， 樁身最大位移和最大拉應(yīng)力隨著框架海堤長度增長急劇下降，如表1 所示。 當(dāng)采用常規(guī)土石海堤情況下，樁頂?shù)娜蛭灰凭_(dá)到了10 cm 以上，其中縱向位移達(dá)27 cm，沉降達(dá)10.6 cm，僅海堤引起的最大拉應(yīng)力達(dá)7.65 MPa，均大幅超出了橋梁樁基常規(guī)設(shè)計允許值； 當(dāng)框架海堤長度增加至100 m 后，樁頂三向位移和最大拉應(yīng)力迅速下降，縱向位移為2.3 cm，橫向位移為2.1 cm，沉降為3.2 cm，最大拉應(yīng)力為1.54 MPa，其結(jié)果見圖5；隨著框架段長度進(jìn)一步增加，位移和應(yīng)力緩慢下降，增加至250 m 時，樁身拉應(yīng)力消失，最大位移為4 mm，變化趨于穩(wěn)定。

圖5 100 m 長框架海堤時樁基位移、應(yīng)力

表1 海堤與橋梁距離對橋梁樁基的影響

針對背景工程的計算情況， 可以認(rèn)為框架海堤長度超過250 m 后，對后建橋梁的影響基本可以不予考慮；在充分考慮橋梁受力富裕度及增加施工間隔期的前提下， 框架海堤長度可以進(jìn)一步縮短。

5 海堤沉降的影響因素分析

5.1 施工順序影響

本文對橋梁樁基先施工， 半年后再施工框架-土石組合海堤進(jìn)行了分析，框架海堤長度取250 m。 計算結(jié)果見圖6，橋梁跨徑為40 m 時，橋梁樁基的最大位移為113.5 mm，最大拉應(yīng)力為3.03 MPa；橋梁跨徑增大到160 m 時，樁基的最大位移仍有39 mm， 均超出加拿大基礎(chǔ)工程手冊規(guī)范和日本道橋示方書不超過1%D（即18 mm）的要求。綜上所述，建議海堤應(yīng)先期施工。

圖6 后建框架海堤樁基位移（單位：m）

5.2 堤頂車輛荷載對橋樁的影響

交叉段海堤和橋梁建成后， 由于圍墾區(qū)的開發(fā)、 管理營運(yùn)，框架-土石組合海堤堤頂需通行施工和管理車輛。 本文采用總重60 t 的標(biāo)準(zhǔn)重車進(jìn)行驗(yàn)算，采用兩種形式施加荷載，分別為車輛荷載間距30 m 以及車輛荷載間距100 m 兩種加載方式，汽車沖擊系數(shù)取1.1，加載方式見圖7～圖9。

圖7 加載標(biāo)準(zhǔn)車輛（單位：m）

圖9 車輛間距100 m 加載衛(wèi)視圖（單位：m）

計算結(jié)果見表2。計算表明，兩個行車工況下，對海堤和樁基的影響均可以忽略。

表2 行車對海堤、橋樁的影響

6 橋樁沉降位移監(jiān)測

圖8 車輛間距30 m 加載衛(wèi)視圖（單位：m）

三山涂圍墾工程框架-土石組合海堤段已施工完畢，為節(jié)約工程造價，最終橋軸兩側(cè)各采用了150 m 的框架段，并設(shè)置了約30 m 的框架-土石過渡段。交叉段海堤施工周期約12 個月，間隔3 個月后橋梁樁基施工，1 個月完成樁基、承臺施工。橋梁下部結(jié)構(gòu)施工完成后，對海堤兩側(cè)的橋墩進(jìn)行了測量，測量成果表明橋梁承臺中心處最大沉降4 mm，順橋向位移6.3 mm，橫橋向位移3.1 mm，結(jié)構(gòu)位移滿足要求，與理論計算相符性較好。

7 結(jié)語

本文結(jié)合寧波三山涂圍墾海堤和三門灣大橋交叉的實(shí)際工程， 介紹了有獨(dú)創(chuàng)性的適用于深厚淤泥地基上的雙排長短密排樁基礎(chǔ)的框架肋板結(jié)構(gòu)海堤結(jié)構(gòu)， 框架海堤與常規(guī)土石海堤結(jié)合，為兩個項目的成功奠定了基礎(chǔ)。 研究了框架海堤不同長度的取值對橋樁的不同影響，分析了變換海堤、橋梁樁基施工順序的可行性及后期營運(yùn)荷載對海堤和橋梁的影響，實(shí)測結(jié)果表明框架-土石海堤控制住了同期建設(shè)橋梁的擠土效應(yīng)，有限元分析成果與實(shí)測基本一致，證明了理論分析的可行性，主要的結(jié)論如下：

1）當(dāng)采用常規(guī)土石海堤情況下，跨徑40 m 的橋梁樁基樁頂?shù)娜蛭灰凭_(dá)到了10 cm 以上， 僅海堤引起的最大拉應(yīng)力達(dá)到7.65 MPa，大幅超出了橋梁樁基常規(guī)設(shè)計允許值。

2）在施工順序方案選擇上，如果橋梁樁基先行施工，即使采用兩側(cè)各250 m 的框架海堤，樁基變形仍不滿足要求，故應(yīng)先施工框架海堤。

3）框架-土石組合海堤先施工，后建橋梁，框架海堤長度越長，橋梁樁基的三向位移越小。 當(dāng)框架海堤長度超過150 m后，樁頂水平位移可以控制在1 cm 左右，豎向位移為2 cm 左右，滿足水平位移不超過1%D 的控制標(biāo)準(zhǔn)，豎向位移也可以采用工程措施加以控制。 本項目結(jié)合安全性和經(jīng)濟(jì)性，最終按橋軸兩側(cè)各設(shè)置150 m 框架海堤實(shí)施。

4）對堤頂后期營運(yùn)荷載影響進(jìn)行了分析，標(biāo)準(zhǔn)車重按60 t，間距分別按30 m 及100 m 滿布考慮，結(jié)果表明，不同間距下海堤沉降量、橋梁的水平位移和沉降均滿足要求，堤頂?shù)缆返男熊嚭奢d對海堤、橋梁的影響較小。