新建道路下穿特大橋?qū)蚨蘸突鶚兜挠绊懛治?/h1>
2020-04-12 00:00:00蔡紀鋒
貴州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) 2020年6期
摘 要：針對新建道路下穿既有橋梁情形，提出了既有橋梁的橋墩與基樁簡化計算模型，并采用在墩側(cè)進行堆土反壓，研究新建道路下穿特大橋?qū)蛄簶蚨蘸突鶚兜挠绊?，開展有限元簡化計算。結(jié)果表明：新建道路的施工對既有橋梁的橋墩與基樁變形和內(nèi)力有一定影響;填筑反壓土后，墩柱及樁基的偏位值均減小，對基樁偏位起有利作用，并且樁身彎矩與剪力具有較為顯著的減小。
關(guān)鍵詞：新建道路;下穿;既有橋梁;橋墩;基樁
中圖分類號：U442.5+9;U443.15
文獻標識碼： A
近年來，隨著我國城市交通量劇增，新建道路與現(xiàn)存橋梁交叉項目已很普遍。目前，這種下穿形式主要分為橋梁、U槽、板樁、路基等，由于其結(jié)構(gòu)形式特殊性、復(fù)雜性，施工過程中必然會對周邊土體產(chǎn)生一定的變形與沉降，從而對現(xiàn)存橋梁的墩柱與基樁產(chǎn)生一定的影響[1]。根據(jù)以往經(jīng)驗，新建公路與已建或在建高速橋梁交叉跨越時，應(yīng)優(yōu)先選擇公路下穿高速橋梁方案[2-3]。針對該類工程的施工與設(shè)計的復(fù)雜性，眾多學(xué)者對該問題開展了一系列的研究工作，如趙煜星[4]研究表明新建道路的施工對既有橋梁的位移和應(yīng)力有一定影響，并且建議高壓旋噴樁施工采用跳作法。還有相關(guān)研究采用數(shù)值模擬方法與簡化計算方法計算變形、內(nèi)力等特性，從而提出最優(yōu)的施工方案 [5-8]。綜上，新建道路對既有橋梁橋墩和基樁具有一定的影響。
本文以福州新南港大橋接線道路下穿江口特大橋為工程背景，研究堆土及后期行車荷載對江口特大橋橋梁基樁的內(nèi)力與變形的影響。本次分析重點針對與新南港大橋接線緊鄰的第135#～137#墩柱基樁進行內(nèi)力與變形分析，并對堆土反壓的保護措施進行分析，得出相應(yīng)的結(jié)論，為今后該類工程的建設(shè)提供一些重要工程經(jīng)驗。
1 工程概況與地質(zhì)條件
福州新南港大橋接線道路位于K2+220段處下穿江口特大橋福州岸引橋段，如圖1所示。新建道路機動車道寬15.5 m，非機動車道寬4 m。設(shè)計道路等級為城市主干道，計算行車速度為60 km/h。江口特大橋下穿段上部結(jié)構(gòu)設(shè)計為6 m×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩配基樁，墩柱直徑為1.5 m，基樁采用直徑為1.6 m的灌注樁，其中，第135#和第136#墩柱基樁為摩擦樁，樁長分別為47.5 m和48.5 m，第137#墩柱基樁為端承樁，嵌入微風(fēng)化凝灰?guī)r，樁長為49 m。橋墩和基樁砼標號均為C25。
2 計算模型
2.1 模型簡化
本文采用平面應(yīng)變模型進行簡化分析，土層厚度取60 m，基樁兩側(cè)土體寬度取30 m，單側(cè)路堤填土為1.7 m，寬度為30 m，路面荷載為12.75 kPa。模型左、右側(cè)邊界約束土體水平位移，底部邊界約束土體豎向位移。土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，其具體參數(shù)如表1所示。基樁及墩柱的詳細參數(shù)見表2，且剛度均按基樁及墩柱的抗彎剛度和軸向剛度進行等效，具體路堤填土及堆土反壓分析模型如圖2所示。同時，為考慮上部橋梁對墩柱位移所產(chǎn)生的約束作用，本工程在墩柱頂部采用彈簧支座對橋梁約束進行簡化模擬。
由圖3～5及表3可知，在路堤填土及道路荷載的作用下，135#基樁及墩柱均發(fā)生了順橋向偏位，基樁的最大偏位值為5.7 mm，墩柱頂部最大偏位值為6.5 mm，其鉛垂偏移最大值為0.7 mm。這表明在路堤填土及道路荷載的作用下，墩柱及基樁的偏位值均較小。
136#基樁及墩柱均發(fā)生了順橋向偏位，但基樁和墩柱的位移均很小。這表明路堤填土及道路荷載對墩柱及基樁的影響很小。但在本次分析中，左右車道的路堤填土及交通荷載均同時施加，不考慮不對稱堆載，故在后期施工中，應(yīng)確保路堤填土同時施作，盡可能減小對橋梁基樁的影響。
137#基樁及墩柱均發(fā)生了順橋向偏位，基樁的最大偏位值為5.6 mm，墩柱頂部最大偏位值為6.2 mm，其鉛垂偏移最大值為0.8 mm。這表明在路堤填土及道路荷載的作用下，墩柱及基樁的偏位值均較小。
3.2 基樁彎矩與剪力
在路堤填土及道路荷載的作用下，各基樁彎矩及剪力如圖6～8及表4所示。
由圖6及表4可知，在路堤填土及道路荷載的作用下，135#樁身產(chǎn)生較為顯著的彎矩，彎矩最大值為4 270.6 kN·m，位于淤泥質(zhì)土層與卵石層交界處（深度約32 m）。同時，由于上部結(jié)構(gòu)對基樁位移的約束，在樁頂處產(chǎn)生了一定的彎矩。此外，在路堤填土及道路荷載的作用下，樁身亦產(chǎn)生了一定的附加剪力。
由圖7及表4可知，在路堤填土及道路荷載的作用下，136#基樁產(chǎn)生的彎矩及剪力均很小，基本可忽略路堤填土的影響。
由圖8及表4可知，在路堤填土及道路荷載的作用下，137#樁身產(chǎn)生較為顯著的彎矩，彎矩最大值為4 862.0 kN·m，位于淤泥質(zhì)土層與卵石層交界處（深度約32 m）。同時，在路堤填土及道路荷載的作用下，樁身亦產(chǎn)生了一定的附加剪力。
3.3 堆土反壓效果分析
為了盡可能減小路堤填土及道路荷載對基樁產(chǎn)生的影響，本文提出在135#墩及137#墩的外側(cè)進行堆土反壓，反壓土高度與路堤填土高度一致。同時，為盡可能避免反壓土對134#及138#墩樁基產(chǎn)生不利影響，反壓土堆載寬度取橋跨的一半（即15 m）進行分析，將反壓土與路堤填土同時進行堆填，從而盡可能避免不對稱堆載對樁基產(chǎn)生不利影響，后續(xù)堆土反壓效果分析亦將反壓土與路堤填土考慮為同時施工。考慮到反壓堆土對樁基豎向承載力影響較小，故僅對基樁偏位及抗彎承載力展開分析。
在填筑路堤填土、道路荷載及反壓土的作用下，墩柱和樁基偏位值見表3?？梢姰?dāng)填筑了反壓土后，墩柱及樁基的偏位值均有了一定程度的減小，亦對基樁偏位起有利作用。
填筑反壓土后基樁內(nèi)力值見表5。對比表4，可見當(dāng)填筑了反壓土后，基樁彎矩亦顯著減小，同時樁身附加剪力也顯著減小。
4 結(jié)語與建議
對新建道路對特大橋橋墩和基樁的內(nèi)力與變形影響進行了有限元分析，并針對堆土反壓所產(chǎn)生的影響進行分析，具體結(jié)果如下：
1）通過對135#墩、136#及137#墩基樁及墩柱的位移及內(nèi)力分析可知，在填土及道路荷載的作用下，135#墩及137#墩柱及基樁均發(fā)生較為輕微的偏位，并在樁身產(chǎn)生較大的彎矩，但彎矩最大值均小于樁身抗彎承載力;136#墩受填土及道路荷載的影響較小。但分析過程中，填土及道路荷載均考慮同時施加，即不考慮道路填土的不對稱堆載，這在后期橋梁施工中應(yīng)予以重視。
2）當(dāng)采用反壓土進行堆土反壓（與路堤填土同步施工）時，反壓土對于減小基樁及墩柱偏位具有明顯效果，且基樁彎矩亦顯著減小，同時樁身附加剪力也顯著減小。
工程措施建議：橋梁下穿孔的路基兩側(cè)15 m寬范圍兩側(cè)各設(shè)置加寬路基15 m，平衡下穿孔的填筑附加荷載，道路填筑時可增設(shè)土工格柵提高路基的整體穩(wěn)定性，并要求道路左右幅及邊孔同時對稱填筑施工。
參考文獻：
[1]趙永明. 道路下穿段運營對高鐵橋梁基礎(chǔ)的影響[J]. 蘭州工業(yè)學(xué)院學(xué)報， 2018， 25（3）： 24-26.
[2]曾思坡. 城市道路下穿運營高鐵橋梁的方案選擇[J]. 城市道橋與防洪， 2017（4）： 36-38.
[3]雷賀彩. 城市道路改擴建工程下穿既有城際鐵路橋梁可行性分析[J]. 中國鐵路， 2016（5）： 49-53.
[4]趙煜星. 新建道路下穿既有橋梁對橋墩和基樁影響的分析[J]. 山西建筑， 2018， 44（10）： 115-116.
[5]張旭. 新建道路下穿高速鐵路橋梁對高鐵橋墩和基樁影響的分析[J]. 中小企業(yè)管理與科技（上旬刊）， 2018（5）： 182-183.
[6]張儉. 新建道路下穿運營高速鐵路橋梁的設(shè)計方案[J]. 中外公路， 2014， 34（2）： 185-188.
[7]師林. 新建道路與既有高速公路交叉橋梁設(shè)計探討[J]. 安徽建筑， 2019， 26（2）： 41-42.
[8]梅應(yīng)華. 運營高速公路路改橋設(shè)計方案研究[J]. 工程與建設(shè)， 2012， 26（5）： 623-624.
（責(zé)任編輯：曾 晶）
摘 要：針對新建道路下穿既有橋梁情形，提出了既有橋梁的橋墩與基樁簡化計算模型，并采用在墩側(cè)進行堆土反壓，研究新建道路下穿特大橋?qū)蛄簶蚨蘸突鶚兜挠绊?，開展有限元簡化計算。結(jié)果表明：新建道路的施工對既有橋梁的橋墩與基樁變形和內(nèi)力有一定影響;填筑反壓土后，墩柱及樁基的偏位值均減小，對基樁偏位起有利作用，并且樁身彎矩與剪力具有較為顯著的減小。
關(guān)鍵詞：新建道路;下穿;既有橋梁;橋墩;基樁
中圖分類號：U442.5+9;U443.15
文獻標識碼： A
近年來，隨著我國城市交通量劇增，新建道路與現(xiàn)存橋梁交叉項目已很普遍。目前，這種下穿形式主要分為橋梁、U槽、板樁、路基等，由于其結(jié)構(gòu)形式特殊性、復(fù)雜性，施工過程中必然會對周邊土體產(chǎn)生一定的變形與沉降，從而對現(xiàn)存橋梁的墩柱與基樁產(chǎn)生一定的影響[1]。根據(jù)以往經(jīng)驗，新建公路與已建或在建高速橋梁交叉跨越時，應(yīng)優(yōu)先選擇公路下穿高速橋梁方案[2-3]。針對該類工程的施工與設(shè)計的復(fù)雜性，眾多學(xué)者對該問題開展了一系列的研究工作，如趙煜星[4]研究表明新建道路的施工對既有橋梁的位移和應(yīng)力有一定影響，并且建議高壓旋噴樁施工采用跳作法。還有相關(guān)研究采用數(shù)值模擬方法與簡化計算方法計算變形、內(nèi)力等特性，從而提出最優(yōu)的施工方案 [5-8]。綜上，新建道路對既有橋梁橋墩和基樁具有一定的影響。
本文以福州新南港大橋接線道路下穿江口特大橋為工程背景，研究堆土及后期行車荷載對江口特大橋橋梁基樁的內(nèi)力與變形的影響。本次分析重點針對與新南港大橋接線緊鄰的第135#～137#墩柱基樁進行內(nèi)力與變形分析，并對堆土反壓的保護措施進行分析，得出相應(yīng)的結(jié)論，為今后該類工程的建設(shè)提供一些重要工程經(jīng)驗。
1 工程概況與地質(zhì)條件
福州新南港大橋接線道路位于K2+220段處下穿江口特大橋福州岸引橋段，如圖1所示。新建道路機動車道寬15.5 m，非機動車道寬4 m。設(shè)計道路等級為城市主干道，計算行車速度為60 km/h。江口特大橋下穿段上部結(jié)構(gòu)設(shè)計為6 m×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩配基樁，墩柱直徑為1.5 m，基樁采用直徑為1.6 m的灌注樁，其中，第135#和第136#墩柱基樁為摩擦樁，樁長分別為47.5 m和48.5 m，第137#墩柱基樁為端承樁，嵌入微風(fēng)化凝灰?guī)r，樁長為49 m。橋墩和基樁砼標號均為C25。
2 計算模型
2.1 模型簡化
本文采用平面應(yīng)變模型進行簡化分析，土層厚度取60 m，基樁兩側(cè)土體寬度取30 m，單側(cè)路堤填土為1.7 m，寬度為30 m，路面荷載為12.75 kPa。模型左、右側(cè)邊界約束土體水平位移，底部邊界約束土體豎向位移。土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，其具體參數(shù)如表1所示。基樁及墩柱的詳細參數(shù)見表2，且剛度均按基樁及墩柱的抗彎剛度和軸向剛度進行等效，具體路堤填土及堆土反壓分析模型如圖2所示。同時，為考慮上部橋梁對墩柱位移所產(chǎn)生的約束作用，本工程在墩柱頂部采用彈簧支座對橋梁約束進行簡化模擬。
由圖3～5及表3可知，在路堤填土及道路荷載的作用下，135#基樁及墩柱均發(fā)生了順橋向偏位，基樁的最大偏位值為5.7 mm，墩柱頂部最大偏位值為6.5 mm，其鉛垂偏移最大值為0.7 mm。這表明在路堤填土及道路荷載的作用下，墩柱及基樁的偏位值均較小。
136#基樁及墩柱均發(fā)生了順橋向偏位，但基樁和墩柱的位移均很小。這表明路堤填土及道路荷載對墩柱及基樁的影響很小。但在本次分析中，左右車道的路堤填土及交通荷載均同時施加，不考慮不對稱堆載，故在后期施工中，應(yīng)確保路堤填土同時施作，盡可能減小對橋梁基樁的影響。
137#基樁及墩柱均發(fā)生了順橋向偏位，基樁的最大偏位值為5.6 mm，墩柱頂部最大偏位值為6.2 mm，其鉛垂偏移最大值為0.8 mm。這表明在路堤填土及道路荷載的作用下，墩柱及基樁的偏位值均較小。
3.2 基樁彎矩與剪力
在路堤填土及道路荷載的作用下，各基樁彎矩及剪力如圖6～8及表4所示。
由圖6及表4可知，在路堤填土及道路荷載的作用下，135#樁身產(chǎn)生較為顯著的彎矩，彎矩最大值為4 270.6 kN·m，位于淤泥質(zhì)土層與卵石層交界處（深度約32 m）。同時，由于上部結(jié)構(gòu)對基樁位移的約束，在樁頂處產(chǎn)生了一定的彎矩。此外，在路堤填土及道路荷載的作用下，樁身亦產(chǎn)生了一定的附加剪力。
由圖7及表4可知，在路堤填土及道路荷載的作用下，136#基樁產(chǎn)生的彎矩及剪力均很小，基本可忽略路堤填土的影響。
由圖8及表4可知，在路堤填土及道路荷載的作用下，137#樁身產(chǎn)生較為顯著的彎矩，彎矩最大值為4 862.0 kN·m，位于淤泥質(zhì)土層與卵石層交界處（深度約32 m）。同時，在路堤填土及道路荷載的作用下，樁身亦產(chǎn)生了一定的附加剪力。
3.3 堆土反壓效果分析
為了盡可能減小路堤填土及道路荷載對基樁產(chǎn)生的影響，本文提出在135#墩及137#墩的外側(cè)進行堆土反壓，反壓土高度與路堤填土高度一致。同時，為盡可能避免反壓土對134#及138#墩樁基產(chǎn)生不利影響，反壓土堆載寬度取橋跨的一半（即15 m）進行分析，將反壓土與路堤填土同時進行堆填，從而盡可能避免不對稱堆載對樁基產(chǎn)生不利影響，后續(xù)堆土反壓效果分析亦將反壓土與路堤填土考慮為同時施工。考慮到反壓堆土對樁基豎向承載力影響較小，故僅對基樁偏位及抗彎承載力展開分析。
在填筑路堤填土、道路荷載及反壓土的作用下，墩柱和樁基偏位值見表3?？梢姰?dāng)填筑了反壓土后，墩柱及樁基的偏位值均有了一定程度的減小，亦對基樁偏位起有利作用。
填筑反壓土后基樁內(nèi)力值見表5。對比表4，可見當(dāng)填筑了反壓土后，基樁彎矩亦顯著減小，同時樁身附加剪力也顯著減小。
4 結(jié)語與建議
對新建道路對特大橋橋墩和基樁的內(nèi)力與變形影響進行了有限元分析，并針對堆土反壓所產(chǎn)生的影響進行分析，具體結(jié)果如下：
1）通過對135#墩、136#及137#墩基樁及墩柱的位移及內(nèi)力分析可知，在填土及道路荷載的作用下，135#墩及137#墩柱及基樁均發(fā)生較為輕微的偏位，并在樁身產(chǎn)生較大的彎矩，但彎矩最大值均小于樁身抗彎承載力;136#墩受填土及道路荷載的影響較小。但分析過程中，填土及道路荷載均考慮同時施加，即不考慮道路填土的不對稱堆載，這在后期橋梁施工中應(yīng)予以重視。
2）當(dāng)采用反壓土進行堆土反壓（與路堤填土同步施工）時，反壓土對于減小基樁及墩柱偏位具有明顯效果，且基樁彎矩亦顯著減小，同時樁身附加剪力也顯著減小。
工程措施建議：橋梁下穿孔的路基兩側(cè)15 m寬范圍兩側(cè)各設(shè)置加寬路基15 m，平衡下穿孔的填筑附加荷載，道路填筑時可增設(shè)土工格柵提高路基的整體穩(wěn)定性，并要求道路左右幅及邊孔同時對稱填筑施工。
參考文獻：
[1]趙永明. 道路下穿段運營對高鐵橋梁基礎(chǔ)的影響[J]. 蘭州工業(yè)學(xué)院學(xué)報， 2018， 25（3）： 24-26.
[2]曾思坡. 城市道路下穿運營高鐵橋梁的方案選擇[J]. 城市道橋與防洪， 2017（4）： 36-38.
[3]雷賀彩. 城市道路改擴建工程下穿既有城際鐵路橋梁可行性分析[J]. 中國鐵路， 2016（5）： 49-53.
[4]趙煜星. 新建道路下穿既有橋梁對橋墩和基樁影響的分析[J]. 山西建筑， 2018， 44（10）： 115-116.
[5]張旭. 新建道路下穿高速鐵路橋梁對高鐵橋墩和基樁影響的分析[J]. 中小企業(yè)管理與科技（上旬刊）， 2018（5）： 182-183.
[6]張儉. 新建道路下穿運營高速鐵路橋梁的設(shè)計方案[J]. 中外公路， 2014， 34（2）： 185-188.
[7]師林. 新建道路與既有高速公路交叉橋梁設(shè)計探討[J]. 安徽建筑， 2019， 26（2）： 41-42.
[8]梅應(yīng)華. 運營高速公路路改橋設(shè)計方案研究[J]. 工程與建設(shè)， 2012， 26（5）： 623-624.
（責(zé)任編輯：曾 晶）
