鄭楷柱 鄭恒斌 杜立凡

摘要：某新建道路下穿既有三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，受道路軟基處理和堆載所誘發(fā)土體擾動(dòng)的影響，橋梁墩身產(chǎn)生了不勻均沉降及水平位移，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)其最大值分別達(dá)到4.1 mm和9.5 mm。為分析下穿道路軟基處理對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響，文章建立了橋梁空間桿系有限元模型，基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值分別進(jìn)行了橋梁?jiǎn)螛冻休d力、樁基抗彎剪承載力和上部結(jié)構(gòu)承載力的驗(yàn)算分析。結(jié)果顯示，橋梁各項(xiàng)承載力驗(yàn)算均能滿足規(guī)范要求，表明現(xiàn)有狀態(tài)下的道路軟基處理不會(huì)對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)安全造成影響。

關(guān)鍵詞：新建道路;下穿;軟基處理;既有橋梁;結(jié)構(gòu)安全

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市交通量劇增，新建道路不可避免地會(huì)出現(xiàn)與現(xiàn)有橋梁的交叉。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，新建道路與已建或在建橋梁交叉跨越時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇道路下穿橋梁方案。在軟土區(qū)域內(nèi)修建道路，需要對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理，而在軟基處理的過(guò)程中必然會(huì)對(duì)周邊土體產(chǎn)生一定的變形與沉降。地基土的沉降將在樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻力，導(dǎo)致樁基發(fā)生附加沉降。同時(shí)，當(dāng)墩柱周圍的填土堆載不對(duì)稱時(shí)，地基土除發(fā)生豎向變形外，還將發(fā)生側(cè)向變形，這使得樁基發(fā)生側(cè)向位移，并帶動(dòng)橋墩及上部結(jié)構(gòu)發(fā)生偏移。當(dāng)橋梁樁基發(fā)生的位移過(guò)大時(shí)，可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，影響橋梁的正常使用[1-4]。

針對(duì)該類工程的復(fù)雜性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該問(wèn)題開展了一系列的研究工作，Springman等[5]通過(guò)離心試驗(yàn)，研究了堆載作用下樁基變形與彎矩的變化規(guī)律;李志偉[6]結(jié)合具體工程實(shí)例，針對(duì)不對(duì)稱堆載作用下的橋梁墩柱及樁基的位移與內(nèi)力進(jìn)行了分析;梁育瑋等[7]針對(duì)側(cè)向堆載對(duì)城際鐵路高架橋的影響進(jìn)行了有限元分析，提出了不同堆載高度下的安全距離。

本文以某新建道路下穿既有三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究道路軟基處理和填土堆載對(duì)橋梁承載能力的影響，為今后該類工程的建設(shè)提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及參考。

1 項(xiàng)目概況

某新建道路在下方橫穿既有橋梁66#～68#墩，在道路建設(shè)過(guò)程中，由于橋下區(qū)域?yàn)楹拥誊浲羺^(qū)，土質(zhì)較差，需要在橋梁下方進(jìn)行軟基處理，軟基處理方式采用水泥攪拌樁加[=XQS（]某新建道路軟基處理對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響分析/鄭楷柱，鄭恒斌，杜立凡[=JP2]固以及地表填土。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用（33+33+30）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，2個(gè)中墩墩梁固結(jié)，2個(gè)邊墩設(shè)置支座。箱梁分2幅布置，每幅寬度由17.35 m漸變?yōu)?2.75 m，單箱三室。下部結(jié)構(gòu)采用實(shí)心花瓶墩，每幅箱梁采用雙花瓶墩，單個(gè)花瓶墩壁厚1.2 m，底寬1.8 m，頂寬3.6 m。單個(gè)花瓶墩的基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)，設(shè)置2根1.4 m直徑的樁基。橋梁橫斷面示意圖如圖1所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案及結(jié)果

為監(jiān)測(cè)在道路施工過(guò)程中橋梁墩身產(chǎn)生的沉降與水平位移，在橋梁的中墩以及一端的邊墩上設(shè)置位移監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)。觀測(cè)點(diǎn)位于橋墩底部6 m處和3 m處，其中3 m處的測(cè)點(diǎn)為復(fù)核測(cè)點(diǎn)。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映，在道路施工過(guò)程中，橋墩出現(xiàn)了4.1 mm的最大沉降，發(fā)生了9.5 mm的最大水平位移。具體監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

3 橋梁有限元模型建立

采用Midas Civil軟件建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。模型采用空間桿系結(jié)構(gòu)，主梁、橋墩及樁基均模擬為空間梁?jiǎn)卧?，全模型共劃分?26個(gè)節(jié)點(diǎn)和194個(gè)單元。支座采用彈性連接的方式進(jìn)行模擬，墩梁、樁墩連接均使用剛性彈簧的方式模擬，樁-土耦合作用采用施加線形節(jié)點(diǎn)支承的方式模擬，在支座底部與樁底施加一般支承以限制模型的位移。在Midas Civil軟件中建立的橋梁有限元模型如圖2所示。

4 橋梁結(jié)構(gòu)安全分析

4.1 單樁承載力分析

新建道路在現(xiàn)有橋梁下方下進(jìn)行河堤和道路的填土和軟基處理，由于該處地質(zhì)存在20 m左右的軟基，勢(shì)必對(duì)橋梁樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻，為此對(duì)樁基的承載能力進(jìn)行驗(yàn)算，并充分考慮填土的2.5 m厚度和20 m淤泥的負(fù)摩阻效應(yīng)。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363-2019）[8]，對(duì)單樁承載力進(jìn)行驗(yàn)算。

求得單樁軸向受壓承載力容許值為18 261.2 kN，大于設(shè)計(jì)單樁豎向力為6 500 kN，富余度為180.9%。經(jīng)驗(yàn)算，考慮填土產(chǎn)生的樁基負(fù)摩阻效應(yīng)，樁基的單樁承載能力滿足規(guī)范要求。

4.2 樁基抗彎剪承載力分析

由于橋墩最大產(chǎn)生了9.5 mm的水平位移，為此對(duì)群樁基礎(chǔ)進(jìn)行分析，施加10 mm的強(qiáng)迫位移后，進(jìn)行樁基的承載力驗(yàn)算。樁基內(nèi)力包絡(luò)圖見(jiàn)圖3、圖4?；窘M合下樁基彎矩最大值為3 410.3 kN·m，軸力最大值為8 128.1 kN。

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3362 D62-2018）[9]中的規(guī)定，對(duì)樁基壓彎構(gòu)件承載力進(jìn)行驗(yàn)算。

軸力承載力容許值：

[Nr]=Ar2fcd+Cρr2f′ sd=9 439.8 kN

彎矩承載力容許值：

[Mr]=Br3fcd+Dρgr3f′ sd=4 454.2 kN·m

經(jīng)驗(yàn)算，樁基軸力及彎矩承載力容許值均大于設(shè)計(jì)值，樁基的壓彎承載力滿足規(guī)范要求。

4.3 上部結(jié)構(gòu)承載力分析

由于橋下河堤和道路的填土和軟基處理，產(chǎn)生了橋墩沉降，而上部連續(xù)箱梁對(duì)于橋墩的沉降比較敏感，會(huì)產(chǎn)生附加內(nèi)力。為此考慮5 mm沉降值，核查橋梁上部結(jié)構(gòu)的承載能力。頻遇組合下，主梁下緣應(yīng)力包絡(luò)圖如圖5所示，拉應(yīng)力最大值為0.29 MPa（<1.89 MPa），壓應(yīng)力最大值為8.51 MPa（<23.1 MPa）;主梁上緣應(yīng)力包絡(luò)圖如圖6所示，拉應(yīng)力最大值為1.51 MPa（<1.89 MPa），壓應(yīng)力最大值為11.15 MPa（<23.1 MPa）。由此主梁上下緣應(yīng)力滿足規(guī)范[9]要求。

本次驗(yàn)算的不均勻沉降取值5 mm，大于監(jiān)測(cè)到的最大沉降量4.1 mm，故實(shí)際情況下橋梁上部結(jié)構(gòu)承載力滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合橋下軟基處理情況，使用Midas Civil軟件建立三維有限元模型，主要結(jié)論如下：

（1）由于橋梁采用嵌巖樁，考慮填土使軟土產(chǎn)生負(fù)摩阻之后，單樁承載力仍然滿足規(guī)范要求。

（2）對(duì)于橋墩產(chǎn)生的水平位移，按10 mm進(jìn)行驗(yàn)算，雖然樁基的承載力能滿足，但是設(shè)計(jì)一般不考慮樁基的強(qiáng)迫水平位移，為此需要嚴(yán)格控制樁基的位移量，避免危及橋梁安全。

（3）橋梁在設(shè)計(jì)過(guò)程中，特別是連續(xù)箱梁等超靜定結(jié)構(gòu)，都會(huì)考慮一定的沉降值。目前結(jié)合監(jiān)測(cè)沉降值最大為4.1 mm，按5 mm進(jìn)行驗(yàn)算，連續(xù)箱梁承載力和應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

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