公路下穿對既有橋梁的擾動分析及防治對策研究

作者簡介：楊正旭（1994—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

為研究新建公路下穿既有橋梁時，各影響因素對路基和橋梁結(jié)構(gòu)的擾動，文章依托某實際工程，采用FLAC3D軟件建立相應(yīng)的三維模型，對不同情況下路基和橋梁的變形規(guī)律進(jìn)行分析，并研究相應(yīng)的防治對策，得到如下結(jié)論：（1）新建路基下穿既有橋梁對坡前橋墩水平位移影響較大，已遠(yuǎn)超控制標(biāo)準(zhǔn)，故需要采取一定措施進(jìn)行處理；（2）分析各因素對橋墩水平位移的影響可知，路基高度的影響＞斜坡坡度的影響＞路基寬度的影響；（3）采用橫向間距為4.2 m、豎向間距為4 m的4排鉆孔灌注樁處理地基，可有效控制路基和橋墩的變形在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

路基下穿；既有橋梁；填筑高度；支護(hù)措施

U447A421493

0?引言

隨著我國公路交通事業(yè)的不斷發(fā)展，新建公路下穿既有橋梁已成為工程設(shè)計中的常見情況，但同時也帶來許多安全問題，極易導(dǎo)致既有橋梁產(chǎn)生較大的變形，從而對其安全運營產(chǎn)生較大的影響。故為提高新建路基下穿既有橋梁時的安全性，大量學(xué)者就進(jìn)行了深入研究。宋旭明等［1］依托某新建道路下穿高鐵連續(xù)橋工程，建立了相應(yīng)的有限元模型，研究了高鐵軌道、樁基內(nèi)力和側(cè)摩阻力的時變規(guī)律，并分析了各土體參數(shù)的影響。張文杰［2］采用數(shù)值模擬的手段研究了市政道路大面積開挖回填和隨挖隨填對上部高鐵路基橋梁變形的影響，并對防護(hù)措施進(jìn)行研究。孫宗磊等［3］針對某高速公路斜交下穿京滬高鐵橋梁工程進(jìn)行了風(fēng)險評估，并采用數(shù)值模擬的手段對其變形規(guī)律及控制措施進(jìn)行研究。李仁強(qiáng)［4］依托某市政道路下穿既有高鐵橋梁工程，采用有限元模型對其施工和運營階段的橋墩變形進(jìn)行研究，并進(jìn)行風(fēng)險評估。楊學(xué)林［5］采用Midas GTS軟件對某高速公路以樁板結(jié)構(gòu)形式下穿既有高鐵橋梁的可行性進(jìn)行研究。湛敏等［6］從經(jīng)濟(jì)性、對高鐵影響程度和施工組織措施等角度對比研究了高速公路以橋梁、樁板和路基結(jié)構(gòu)形式下穿既有高鐵橋梁方案的可行性。為研究以路基形式下穿既有橋梁時，各影響因素對路基和橋梁結(jié)構(gòu)的擾動，本文依托實際情況，采用FLAC 3D軟件進(jìn)行分析。

1?工程概況

新建公路路基下穿既有橋梁時，新增路基土?xí)沟迷新坊恋膽?yīng)力平衡狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生新的沉降固結(jié)，同時水平附加應(yīng)力的增大極易導(dǎo)致上部橋梁水平變形增大，從而對橋梁的安全運營產(chǎn)生較大影響。而對于西部山區(qū)而言，由于地面存在一定的坡度，土體本身受到一定的側(cè)向推力，路基堆載后與橋梁、地基三者之間的相互作用愈發(fā)復(fù)雜。

本文依托貴州某公路復(fù)建工程下穿既有高速公路橋梁段。由于工程所處區(qū)域?qū)儆趤啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，在5～7月份存在較為集中的降雨，極易導(dǎo)致滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的影響發(fā)生。為滿足相關(guān)設(shè)計要求，下穿段選擇新建路基增大下穿角度通過，由于路基建設(shè)于斜坡上，故需要進(jìn)行梯臺開挖處理，以避免路基滑動的影響。

根據(jù)依托工程實際情況結(jié)合規(guī)范要求，確定路基土-墩結(jié)構(gòu)各項控制指標(biāo)：由于上部高速公路橋梁跨度為40 m，故應(yīng)控制墩頂橫橋向水平位移≤20 mm，順橋向水平位移≤31.6 mm，橋墩總沉降≤126.5 mm，相鄰橋墩差異沉降≤63.3 mm；而由于橋梁建設(shè)施工時，橋墩已經(jīng)產(chǎn)生了一定程度的水平位移，故為避免二次施工對橋梁安全運營的影響，參考有關(guān)文獻(xiàn)，應(yīng)控制墩頂橫橋向水平位移≤10 mm，順橋向水平位移≤10.6 mm，橋墩總沉降≤63.3 mm，相鄰橋墩差異沉降≤31.7 mm，路基工后沉降≤200 mm。根據(jù)工程實際情況，選用1.3作為新建下穿公路路基的安全系數(shù)控制值。

2?影響因素分析

依托實際工程，選用FLAC 3D軟件建立三維模型如下頁圖1所示。由于實際工程復(fù)雜度較大，故需要進(jìn)行一定的簡化處理，做假定如下：（1）假定橋墩和土體均為各向同性的連續(xù)均勻材料，橋墩設(shè)置為線彈性模型，土體設(shè)置為摩爾-庫倫模型；（2）不考慮施工及地下水的影響；（3）不考慮時間作用的影響；（4）對橋墩及樁基進(jìn)行簡化處理，不考慮橋墩內(nèi)部鋼筋的影響。各材料參數(shù)如下頁表1所示，對照模型路基高7 m、寬10 m，路基邊坡坡度為1/1.5，道路中線位于兩橋墩中間，橋梁跨度為40 m，橋墩直徑為2 m，斜坡坡度i=1/10。

由于我國西高東低的地勢，山區(qū)在國土面積中占比約為2/3，因此公路的不可避免地需要修建到斜坡上。為研究不同地面坡度時，新建路基對地基和橋墩的影響，設(shè)置4種地面坡度i=0、1/20、1/10、1/5，分別進(jìn)行數(shù)值仿真計算，以距離道路中線正值處為斜坡坡前，負(fù)值處為斜坡坡后。整理計算結(jié)果可得不同地面坡度時，距道路

中線不同位置處的路基頂部沉降曲線如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)?shù)孛嫫露萯=0時，路基頂部沉降基本是根據(jù)道路中線呈軸對稱分布，且道路中線處沉降值最大，而隨著與道路中線的距離增大，沉降值逐漸減小，最大沉降差約為4.9 mm。而隨著地面坡度的逐漸增大，路基頂部的最大沉降值也逐漸增大，其位置逐漸向坡前移動。當(dāng)i=1/20時，最大沉降值位于坡前距離路基中線1 m處，其值約為51.6 mm，最大差異沉降值約為8.5 mm；當(dāng)i=1/10時，最大沉降值位于坡前距離路基中線2 m處，其值約為53.2 mm，最大差異沉降值約為8.5 mm；當(dāng)i=1/5時，最大沉降值位于坡前距離路基中線3 m處，其值約為55.8 mm，最大差異沉降值約為14.0 mm。相較于路基本體，橋墩的沉降相對較小，但也呈現(xiàn)出隨地面坡度的增大而增大的趨勢，當(dāng)?shù)孛嫫露茸詉=0增加至i=1/5時，橋墩最大沉降分別為0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm和1.00 mm，遠(yuǎn)低于控制標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著地面坡度的增大，路基順坡向的下滑力增大，路基內(nèi)部土體應(yīng)變逐漸增加，順坡向的水平位移也不斷增大，分別為10.8 mm、12.2 mm、13.8 mm和18.7 mm，而橋墩的最大水平位移也出現(xiàn)了較為明顯的增加，分別為17.6 mm、22.0 mm、25.8 mm和27.7 mm，遠(yuǎn)超控制標(biāo)準(zhǔn)要求的10.6 mm。采用強(qiáng)度折減法得到不同地面坡度情況下，邊坡的安全系數(shù)分別為2.22、2.20、2.15和1.98。由此可見，隨著地面坡度的增加，路基本體、上部橋墩和斜坡的穩(wěn)定性和安全性均會出現(xiàn)明顯的降低。

為研究新建路基高度對地基和橋墩的影響，設(shè)置路基高度分別為4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m和10 m，并進(jìn)行數(shù)值仿真計算，以距離道路中線正值處為斜坡坡前，負(fù)值處為斜坡坡后。當(dāng)路基高度＜8 m時，設(shè)置路基位于斜坡坡前和坡后處的坡度均為1/1.5。當(dāng)路基高度≥8 m時，設(shè)置路基位于斜坡坡前處的坡度為1/1.75，路基位于斜坡坡后處的坡度為1/1.5。整理計算結(jié)果可得不同路基高度時，距道路中線不同位置處的路基頂部沉降曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著填筑路基的增高，路基面最大沉降值也逐漸增加，其值分別為30.2 mm、37.5 mm、44.8 mm、52.1 mm、60.1 mm、68.3 mm和76.7 mm；路基面最大沉降值距道路中線的位置變化相對較小，均在坡前1.5～2 m范圍內(nèi)；路基面最大差異沉降變化較小。相較于路基本體，橋墩的沉降相對較小，但也呈現(xiàn)隨路基高度的增大而增大的趨勢，當(dāng)?shù)孛娓叨茸? m增加至10 m時，橋墩最大沉降自0.53 mm增大至1.26 mm，遠(yuǎn)低于控制標(biāo)準(zhǔn)要求，說明新建公路下穿橋墩時，其路基高度對橋墩沉降影響較小。

不同路基高度時，路基本體及兩側(cè)橋墩最大水平位移曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著路基高度的增加，路基內(nèi)部土體的應(yīng)力明顯增大，各結(jié)構(gòu)水平位移均呈現(xiàn)出類線性增大的趨勢，路基和坡前橋墩產(chǎn)生順坡向位移，坡后橋墩產(chǎn)生逆坡向位移。斜坡坡前側(cè)橋墩受擾動較大，水平位移值增長最為明顯，其增加值約為21.9 mm，而斜坡后側(cè)橋墩水平位移增大值約為10.8 mm，路基本體水平位移增大值約為15.4 mm。根據(jù)橋梁水平位移控

制標(biāo)準(zhǔn)10.6 mm，當(dāng)路基高度＜8 m時，坡后橋墩能滿足要求，而即使路基高度僅4 m時，其坡前橋墩水平位移值為14.1 mm，仍高于控制標(biāo)準(zhǔn)要求。說明斜坡地段公路路基下穿橋梁，坡前處橋墩受到擾動較大，兩橋墩之間存在遠(yuǎn)超5 mm控制標(biāo)準(zhǔn)的差異沉降，不利于橋梁的安全運營。采用強(qiáng)度折減法計算得到不同路基高度情況下，邊坡的安全系數(shù)自2.23逐漸降低至2.01。由此可見，隨著路基高度的增加，路基本體、上部橋墩和斜坡的穩(wěn)定性和安全性均會出現(xiàn)明顯的降低。

為研究新建路基寬度對地基和橋墩的影響，根據(jù)相應(yīng)的公路規(guī)范，以雙向兩車道、四車道、六車道設(shè)置路基寬度分別為10 m、26 m和33.5 m進(jìn)行數(shù)值仿真計算，以距離道路中線正值處為斜坡坡前，負(fù)值處為斜坡坡后。整理計算結(jié)果可得不同路基寬度時，距道路中線不同位置處的路基頂部沉降曲線如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)路基寬度為10 m時，其最大沉降值為51.8 mm，位于坡前距離道路中線1 m處，最大差異沉降為9.1 mm；當(dāng)路基寬度為26 m時，其最大沉降值約為53.8 mm，位于坡前距離道路中線7 m處，最大差異沉降為22.5 mm；當(dāng)路基寬度為33.5 m時，其最大沉降值約為53.9 mm，位于坡前距離道路中線11 m處，最大差異沉降為28.3 mm。橋墩沉降相對較小，均在控制標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。路基本體和坡前橋墩產(chǎn)生順坡向水平位移，且隨著路基寬度的增大而增大，坡前橋墩水平位移值自29.9 mm增大至33.2 mm，遠(yuǎn)超出控制標(biāo)準(zhǔn)要求；坡后橋墩產(chǎn)生逆坡向水平位移，隨著路基寬度的增大而減小，最大值為8.1 mm，滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求，即路基寬度的變化對坡前橋墩的影響較大。兩橋墩之間存在較大的差異沉降，遠(yuǎn)超5 mm控制標(biāo)準(zhǔn)，對橋梁安全運營存在較大影響。采用強(qiáng)度折減法計算得到不同路基寬度情況下，邊坡的安全系數(shù)自2.14逐漸降低至1.74?？梢姡S著路基寬度的增加，路基本體、上部橋墩和斜坡的穩(wěn)定性和安全性均會出現(xiàn)明顯的降低。

3?變形防治措施研究

為有效控制路基下穿橋墩段的路基沉降和水平位移，保障既有高速公路橋梁和新建路基的運營安全，設(shè)計采用鉆孔灌注樁對地基進(jìn)行處理，設(shè)置鉆孔樁水平間距為4.2 m，豎向間距為4 m，每排共6根樁，按照梅花形布設(shè)，并分別對設(shè)置3、4、5排樁的情況進(jìn)行分析。

由前文可知，路基下穿既有橋梁時，橋梁沉降遠(yuǎn)小于路基沉降及相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)，故僅對路基沉降進(jìn)行分析。采用3排樁支護(hù)時，路基最大沉降值為36.2 mm；采用4排樁支護(hù)時，路基最大沉降值為35.6 mm；采用5排樁支護(hù)時，路基最大沉降值為35.7 mm，較無支護(hù)狀態(tài)，分別減小了17 mm、17.6 mm、17.7 mm。故可知，在地基中增設(shè)鉆孔灌注樁進(jìn)行支護(hù)可以有效控制下穿橋梁新建路基的沉降。究其原因是鉆孔樁承載較大的豎向應(yīng)力，將其傳遞至底部較為堅硬的持力層，減小了原有路基基礎(chǔ)的受力狀態(tài)，因而其沉降變形出現(xiàn)了明顯的降低。當(dāng)3排樁增加至4排樁時，路基最大沉降降低了0.6 mm；當(dāng)4排樁增大至5排樁時，路基最大沉降僅降低了0.1 mm，故可知當(dāng)樁間距一定時，增加樁排數(shù)并不能有效降低路基沉降，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，增加樁排數(shù)反而會造成資源浪費。不同支護(hù)形式時，距道路中線不同位置處的路基頂部沉降如圖6所示。由圖6可知，樁排數(shù)的增加對路基頂部沉降值的分布形態(tài)影響較小，其最大沉降值均位于坡后距離路基中線0.5 m處，而由前文可知，無支護(hù)時，其路基最大沉降值位于坡前2 m處。

圖6?不同支護(hù)形式時路基頂部沉降值曲線圖

不同樁排數(shù)時，各結(jié)構(gòu)最大水平位移如表2所示。其中，路基、鉆孔樁和坡前橋墩均產(chǎn)生順坡向位移，坡后橋墩產(chǎn)生逆坡向位移。由表2可知，鉆孔灌注樁的存在可有效降低路基及橋墩的水平位移，但當(dāng)采用3排鉆孔樁進(jìn)行支護(hù)時，坡前橋墩的水平位移值仍高于控制標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)采用4排鉆孔樁進(jìn)行支護(hù)時，各結(jié)構(gòu)水平位移值均處于控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；當(dāng)采用5排鉆孔樁進(jìn)行支護(hù)時，各結(jié)構(gòu)水平位移較其他情況下仍有減小。故抗滑樁的增設(shè)能有效抑制各結(jié)構(gòu)的水平位移，但綜合安全性和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)當(dāng)選用4排鉆孔灌注樁進(jìn)行支護(hù)。

4?結(jié)語

為研究新建公路下穿既有橋梁時，各影響因素對路基和橋梁結(jié)構(gòu)的擾動，本文依托鄭州某實際復(fù)建公路下穿橋梁工程，采用FLAC 3D軟件建立相應(yīng)的三維模型，針對不同邊坡坡度、路基高度和路面寬度時，路基和橋梁的變形規(guī)律進(jìn)行分析，并對相應(yīng)的防治對策進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

（1）分析不同影響因素情況下，路基和橋墩的豎向和水平變形可知，新建路基下穿既有橋梁時，橋墩沉降位移受影響較小，水平位移受影響較大，坡前橋墩受擾動遠(yuǎn)大于坡后橋墩，如不設(shè)置相應(yīng)的防護(hù)措施，則其值遠(yuǎn)超過控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）分析幾種影響因素對橋墩頂部水平位移的影響可知，路基高度的影響最大，其次為斜坡坡度，路基寬度的影響相對較小。

（3）采用鉆孔灌注樁處理地基可以有效降低路基的沉降變形和上部橋梁的水平位移。當(dāng)采用橫向間距為4.2 m豎向間距為4 m的3排樁時，坡前橋墩的水平位移仍無法滿足變形控制要求。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性，應(yīng)當(dāng)設(shè)置4排鉆孔樁。

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