堤圍加固對(duì)廣肇高速橋梁的影響分析

馮佳佳，于金媛，雷艷紅，朱登遠(yuǎn)

（1.西藏大學(xué)工學(xué)院，拉薩 850000；2.肇慶市公路發(fā)展有限公司，廣東 肇慶 526040）

1 引言

橋梁是道路工程的重要組成部分，作為道路交通建設(shè)的重要組成部分，橋梁的安全問(wèn)題日益引起人們的關(guān)注[1]。橋梁在建設(shè)的過(guò)程中存在施工難度大，施工環(huán)境差的問(wèn)題。在橋梁服役過(guò)程中，受到各種因素的干擾，橋梁基礎(chǔ)和橋墩容易產(chǎn)生變形甚至破壞。若橋墩或者基礎(chǔ)變形過(guò)大不僅會(huì)對(duì)道路線(xiàn)形造成影響，而且可能會(huì)造成橋梁路面的開(kāi)裂，影響其耐久性與安全性[2]。正在服役的廣肇高速某段橋梁下部堤圍拓寬與加固改變了原有橋梁基礎(chǔ)地基的應(yīng)力狀態(tài)，本文對(duì)該橋梁在下部堤圍施工影響下的基礎(chǔ)與橋墩進(jìn)行變形與強(qiáng)度分析。

2 工程概況

廣肇高速某段大橋距離蓮塘圍較近橋墩的位置樁號(hào)為L(zhǎng)T5+115~LT5+200。蓮塘圍除險(xiǎn)加固工程在該交互區(qū)段，堤頂寬度由7.5 m拓寬至20 m，并以1∶2~1∶3放坡至高程約12.5 m處，以擋土墻擋護(hù)，堤圍加固前后斷面形式變化較大，靠近橋墩側(cè)新增回填砂類(lèi)土及混凝土擋墻，同時(shí)堤頂路由兩車(chē)道變?yōu)?車(chē)道。由平面圖圖1可知，部分堤頂及上堤輔路下穿廣肇高速，加固堤圍坡腳距離橋墩最近處約2.5 m。

該堤圍加固工程涉及廣肇高速大橋引橋9#~13#墩。該橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，其中A12墩位于聯(lián)端，小樁號(hào)側(cè)為16 m跨徑，大樁號(hào)側(cè)為12 m+2×20 m+19.1 m+20 m+8.9 m跨徑，設(shè)置多孔橋面連續(xù)，采用球冠圓板式橡膠支座；下部采用鉆孔灌注樁，樁基直徑1.2 m，樁長(zhǎng)約40 m，橋墩直徑1.0 m，墩高約9.5 m，樁間系梁1.2m×1.0 m，墩頂蓋梁為1.2 m×1.2 m（16 m跨徑聯(lián)）、1.4 m×1.2 m（20 m跨徑聯(lián)）。

該區(qū)域地質(zhì)條件為及其參數(shù)的選取如表1所示。

圖1 交互區(qū)段平面圖

表1 土層參數(shù)表

3 計(jì)算模型的建立

3.1 計(jì)算模型

本次計(jì)算堤圍加固及車(chē)輛荷載對(duì)橋墩影響，采用有限元分析軟件進(jìn)行分析，該軟件可以支持靜力分析、動(dòng)力分析等多種分析類(lèi)型，適用于本次樁基計(jì)算的準(zhǔn)確建模與分析。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

本模型土體高49.5 m，長(zhǎng)200 m，寬120 m，共計(jì)約50 000個(gè)單元。其中土體、堤壩、道路、擋土墻等采用實(shí)體單元，壩體、上堤路、上堤輔路、加固壩體采用前述0#土層。樁基采用植入式梁?jiǎn)卧?；蓋梁、系梁、橋墩、板梁采用梁?jiǎn)卧猍3]。

約束條件：本模型各實(shí)體單元采用共節(jié)點(diǎn)連接，模型對(duì)土體（包含壩體）四周及底部進(jìn)行約束；樁頂節(jié)點(diǎn)采用植入式梁?jiǎn)卧c土體連接（與共節(jié)點(diǎn)類(lèi)似），單元長(zhǎng)度約2 m；擋土墻等需要開(kāi)挖土體后澆筑混凝土，此處采用改變網(wǎng)格性質(zhì)約束法實(shí)現(xiàn)材料的轉(zhuǎn)換。

3.2 荷載施加

3.2.1 堤圍加固荷載

本荷載通過(guò)建立“加固壩體”模型進(jìn)行加載，模型最大限度地模擬了加固前、后壩體實(shí)際堆土情況，“加固壩體”自重是對(duì)交互區(qū)段橋梁樁基影響的主要因素。

3.2.2 上部結(jié)構(gòu)荷載

通過(guò)橋梁通軟件計(jì)算橋梁上部結(jié)構(gòu)傳遞至墩頂荷載，荷載主要包括：結(jié)構(gòu)恒載、汽車(chē)活載、溫度力、制動(dòng)力等。所提荷載采用基本組合，其中結(jié)構(gòu)恒載對(duì)計(jì)算結(jié)果有利，分項(xiàng)系數(shù)取1.0，其他荷載分項(xiàng)系數(shù)參考JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[4]。

各樁位處墩頂（用于模型施加）、樁頂（用于計(jì)算樁基承載力）荷載計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 橋梁墩頂荷載設(shè)計(jì)值

3.3 計(jì)算工況

1）分層建立土體模型，添加土體邊界條件，施加重力，形成初始應(yīng)力場(chǎng)。

2）建立橋梁模型，包括樁基、系梁、墩柱、蓋梁、主梁；建立初始堤圍模型，包括初始?jí)误w、上堤路、上堤輔路；墩頂施加上部荷載；位移歸零[5]。

3）建立加固堤圍模型，包括加固壩體、LT5+140至大樁號(hào)末端擋墻，此工況為當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

4）建立后續(xù)施工模型，即建立LT5+115~LT5+140處擋墻。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 堤圍加固（堆載工況）

4.1.1 樁體位移

根據(jù)有限元模型計(jì)算結(jié)果，樁體橫向位移分析圖（堆載工況下）如圖3所示，由結(jié)果可知，9#、10#樁基受堤圍加固影響最大，樁體受壩體加固影響產(chǎn)生最大15 mm位移，樁頂最大8.5 mm位移；樁體最大位移位于樁頂（系梁）以下約7 m處。

圖3 樁體橫向位移圖（堆載工況）

4.1.2 樁墩彎矩

根據(jù)有限元模型計(jì)算結(jié)果，各墩位處樁體（堆載工況下）橫橋向彎矩如圖4所示，由結(jié)果可知，9#~11#樁基受堤圍加固影響最大，樁體受壩體加固影響產(chǎn)生最大1 094 kN·m彎矩，樁頂最大359 kN·m彎矩；樁體最大彎矩位于樁頂（系梁）以下約7 m處；墩柱底部彎矩較小，最大約106 kN·m。

圖4 樁墩彎矩圖（堆載工況）

4.2 增設(shè)擋土墻（擋土墻工況）

4.2.1 樁體位移

根據(jù)有限元模型計(jì)算結(jié)果，各墩位處樁體（擋土墻工況）位移如圖5所示，由計(jì)算結(jié)果可知，建設(shè)LT5+115~LT5+140處擋墻，使11#~13#樁基產(chǎn)生0.4 mm的橫向位移。

圖5 樁體橫向位移圖（擋土墻工況）

4.2.2 樁墩彎矩

根據(jù)有限元模型計(jì)算結(jié)果，各墩位處樁體（擋土墻工況）橫橋向彎矩匯總?cè)鐖D6所示。由結(jié)果可知，建設(shè)LT5+115~LT5+140處擋墻，對(duì)11#~12#樁頂造成最大65 kN·m彎矩，對(duì)樁體造成最大78 kN·m彎矩，對(duì)墩底影響很小。

圖6 樁墩彎矩圖（擋土墻工況）

5 結(jié)論

1）在廣肇高速橋梁樁基礎(chǔ)處的堤圍處施工會(huì)對(duì)已有橋梁的基礎(chǔ)產(chǎn)生影響，其中大量堆載壓實(shí)使樁基產(chǎn)生橫向位移最大值為15 mm，出現(xiàn)在距離樁基頂部以下7 m處；后期擋土墻的施工會(huì)使臨近樁基產(chǎn)生位移，其中臨近樁基產(chǎn)生的橫向最大位移為0.4 mm。分析原因，大量的堆載壓實(shí)使土中附加應(yīng)力增加，引起土體的不均勻沉降，靠近堤圍側(cè)沉降量大，遠(yuǎn)離堤圍側(cè)沉降量小，土體的不均勻沉降導(dǎo)致樁體發(fā)生側(cè)向位移；擋土墻的澆筑與施工會(huì)對(duì)臨近樁基產(chǎn)生影響，但是總體影響較小。由此可見(jiàn)，樁基的位移主要是由于堆載引起的而非施工擾動(dòng)產(chǎn)生的。

2）堤圍堆載造成樁體在樁頂以下7 m處產(chǎn)生最大彎矩1 094 kN·m，同時(shí)引起墩底最大彎矩106 kN·m；后期擋土墻的修建對(duì)樁體產(chǎn)生的彎矩最大為78 kN·m，對(duì)墩底基本上無(wú)影響。因此，需要堤圍堆載施工前，核對(duì)樁基與墩柱的抗彎性能是否滿(mǎn)足條件，在施工期間密切監(jiān)測(cè)樁基與墩柱的應(yīng)力應(yīng)變[6]。