張中行，高 林，吳龍生，杜 杰

(1.中國電建集團 海南電力設(shè)計研究院有限公司，海南 ?？?570100；2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 210096)

后期新建路堤產(chǎn)生的荷載會對既有橋梁基礎(chǔ)(多數(shù)是樁基礎(chǔ))產(chǎn)生不利的影響，如造成樁身撓曲甚至斷裂、不均勻沉降、橋臺傾斜等，因此必須采取必要措施來控制這一影響。

已有研究中，大多基于工程背景采用數(shù)值模擬的方法來研究。劉靜等[1]和朱彬等[2]分別結(jié)合工程背景建立數(shù)值模型研究了地鐵隧道對既有橋梁基礎(chǔ)的影響。岳齊賢等[3]采用數(shù)值模擬的方法研究了沉井施工對既有橋基的影響。周勇等[4]利用PLAXIS 3D軟件建立三維模型分析了地鐵施工對臨近樁基的影響。此外，隧道開挖對既有樁基的影響方面已有不少研究[5-8]，也有涉及基坑施工對既有樁基影響的研究[9-10]。在路堤填筑方面，鄭健龍等[11]通過數(shù)值模擬研究了軟土地基條件下橋頭路基填筑對橋臺樁的影響。上述研究中多以影響分析為主，且多數(shù)是關(guān)于隧道和基坑開挖對既有樁基礎(chǔ)的影響分析。

關(guān)于影響控制措施方面，宋春雨等[12]以哈爾濱市松花江北岸濱江大道工程穿越松花江跨江大橋為研究對象，基于垂向二維有限元模型及現(xiàn)場監(jiān)測，研究了土工格柵加筋、鉆孔灌注樁隔離及注漿處理等綜合措施的可行性。但平面模型存在一定的局限性，較難反映控制措施的實際應(yīng)用效果。鄭明新等[13]通過理論分析了設(shè)置豎向排水體、改變橋頭位置來減小路堤的填筑高度、樁式復(fù)合地基以控制路堤填筑荷載對軟基橋臺樁基的影響。馮勝洋等[14]則通過數(shù)值模擬分析了豎向排水體在控制路堤填筑荷載對軟基橋臺樁基的影響上的作用。兩者的研究針對軟基橋臺樁基，并不適用一般土體中的橋基，且采用的措施較為單一。

因此，關(guān)于新建路堤對既有橋基的影響控制措施分析仍有很大必要性，如何更好地優(yōu)化控制措施以及不同控制措施之間效果的對比值得進一步研究。本文以蘇通大橋為工程背景，通過數(shù)值模擬研究路堤下設(shè)置樁基礎(chǔ)以及路堤邊緣設(shè)置隔離樁對橋基影響的控制效果，分析不同設(shè)計參數(shù)的影響，并對比分析兩種措施的控制效果。

1 模型建立與工況設(shè)定

1.1 工程背景

蘇通大橋位于江蘇省南通市與蘇州市之間，全長32.4 km，其中跨江部分長8 146 m。后因規(guī)劃需要，需建設(shè)路堤從蘇通大橋北引橋的46#和47#橋墩中間穿過，擬建路堤寬為9.6 m，位于兩橋墩之間的中心位置，其中心線距兩側(cè)橋基中心線的距離為37.5 m。路堤構(gòu)造為：路堤上部主要由承臺構(gòu)成，承臺內(nèi)部含有路堤填土，填土頂部蓋有路面板；承臺底部由三排灌注樁所支撐，樁底標(biāo)高為-30 m，中心排樁樁身直徑為1 m，樁間距為2.5 m，兩側(cè)排樁樁身直徑為1 m，距路堤中心4 m，樁間距為1.1 m。46#和47#橋墩下各自有兩個群樁，沿橋軸線對稱布置，群樁承臺外緣間距6.4 m，群樁的基樁布置如圖1所示，承臺尺寸均為12 m×11 m×3 m，樁徑為1.8 m，樁頂標(biāo)高為-2.00 m，樁底標(biāo)高為-92.00 m。

土層分布及物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示，其中彈性模量是根據(jù)壓縮模量的三倍取得[15]。

圖1 橋基設(shè)計圖(俯視圖)(單位：mm)

1.2 模擬方法

采用PLAXIS 3D軟件建立三維模型，土體采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，各土層的設(shè)置參數(shù)見表1，這種本構(gòu)模型在巖土數(shù)值模擬中十分常見，能夠較好地模擬土體的受力變形特征。樁基礎(chǔ)采用Embedded樁來模擬，樁與土之間的界面行為采用彈-塑性模型來描述，采用這種樁土接觸模型能夠較方便地讀出樁身軸力及樁土摩擦力，且計算簡便。樁與承臺為混凝土材料，其彈性模量取30 GPa，泊松比為0.2，重度為25 kN/m3。路堤高6 m，填土重度20 kN/m3?？紤]對稱性，取四分之一模型建模，通過試建模型可知，取平面尺寸為100 m×100 m，深度方向取120 m時，模型各側(cè)面的法向位移及底面的各向位移接近0，則此時可約束四個側(cè)面邊界的法向位移，完全約束底面，頂面則自由無約束，模型如圖2所示。

1.3 工況設(shè)置

為分析控制措施的效果，首先分析無控制措施工況下新建路堤對既有橋基的影響；然后考慮不同的樁長和樁間距，模擬研究路堤下設(shè)置3排樁基礎(chǔ)的控制效果；再考慮不同的樁長、樁間距和距離路堤邊緣距離，模擬研究路堤邊緣設(shè)置1排隔離樁的控制效果；最后對比分析兩種措施的控制效果。工況中樁長的變化是結(jié)合土層的變化設(shè)定的，即樁端持力層的選擇；樁間距的選擇是結(jié)合承臺下各基樁的受力特性(邊樁受力大、中間樁受力小)和常用樁距而定。具體工況如表2和表3所示。

表2 路堤下樁基礎(chǔ)的工況設(shè)置

表3 路堤邊緣隔離樁的工況設(shè)置

2 計算結(jié)果與分析

對于樁基水平位移，取遠離路堤方向為正，靠近路堤方向為負；對于樁基豎向位移，規(guī)定位移方向向下為正，因此樁基沉降全為正值；對于樁基軸力，規(guī)定壓力為正，拉力為負。計算結(jié)果顯示，路堤荷載作用下8根橋梁基樁的變形和內(nèi)力變化規(guī)律相同，僅數(shù)值上有差異，為節(jié)省篇幅，本文選取受影響最大的基樁作為分析對象。

2.1 路堤下設(shè)置樁基的控制效果研究

圖3是路堤下不同樁長對橋基水平位移的影響曲線，從圖3中可以看出，路堤下設(shè)置樁基后，橋臺樁基水平位移得到了明顯的控制，且隨著樁長的增加，橋臺樁基水平位移不斷降低，特別是當(dāng)樁長達到60 m時，正負方向水平位移均有大幅下降，最大水平位移比路堤下無樁基時降低了約40%。路堤下無樁工況下橋基最大水平位移發(fā)生在標(biāo)高-36 m左右處，方向遠離路堤方向，設(shè)置隔離樁后橋基最大水平位移發(fā)生在樁頂位置，方向偏向路堤一側(cè)。

與橋臺樁基水平位移的變化規(guī)律相似，圖4中呈現(xiàn)的橋臺樁基豎向沉降變化規(guī)律顯示，路堤下設(shè)置樁基后，橋基豎向沉降得到控制，路堤下基樁樁長越長，橋臺樁基沉降越小，當(dāng)樁長達到60 m時橋基沉降控制效果最好，相比路堤下無樁基的工況豎向沉降從6.5 mm減小到4.2 mm，降低了35.4%。

之所以出現(xiàn)樁長達到60 m時，控制效果顯著提升，其原因是地基土中存在一相對軟弱土層，即4-2亞黏土層(標(biāo)高-32.34 m～-58.84 m)。圖5是不同樁長時土體的側(cè)向變形云圖，可以發(fā)現(xiàn)，雖然隨著樁的設(shè)置及樁長的增大，土體側(cè)向變形不斷減小，但當(dāng)樁底標(biāo)高未超過-60 m時(樁基未穿過4-2層)，由于第四層土強度指標(biāo)低、彈性模量小，土體的最大側(cè)向變形集中在4-2層，樁基無法將路堤荷載對土體的影響傳遞至更深的土層，進而側(cè)向擠壓橋基。當(dāng)樁底標(biāo)高達-60 m時，樁端已穿越4-2層，此時持力層為工程性質(zhì)較好的5-2-1層，土體變形主要是樁端開始近似呈45°角向斜下方擴散，樁基將路堤荷載對土體的影響傳遞至更深的土層，從而顯著降低了路堤對鄰近橋基的影響。橋基豎向沉降隨樁長的變化規(guī)律，其原理與水平變形的原理是一致的。

橋基樁身彎矩隨樁長的變化如圖6所示，從圖6中可以看出，當(dāng)樁長只有30 m或40 m時，路堤下設(shè)置樁基對橋基樁身的彎矩并無明顯改善效果，甚至在局部位置還略有增大，但當(dāng)樁長為50 m和60 m時，橋基樁身最大彎矩明顯減小，且樁長越長橋基樁身大彎矩越小。相比于無樁工況，路堤下樁長為60 m時樁身最大彎矩降低了約16%。

圖7是樁身軸力隨樁長的變化曲線，從圖7中可以看出，除樁長為60 m的工況外，其余工況下橋基樁身都出現(xiàn)了負摩阻力，且樁長為30 m～50 m之間時，樁身最大軸力比路堤下無樁時更大。只有路堤下樁基的樁長達到60 m時，樁身才無負摩阻力，樁身軸力明顯減小。

2.2 路堤邊緣設(shè)置隔離樁的控制效果研究

2.2.1 隔離樁樁長的不同對鄰近橋基的影響

在路堤兩側(cè)各設(shè)置1排隔離樁，隔離樁距路堤邊緣1 m，樁間距2 m，考慮樁長分別為30 m、40 m、50 m和60 m四種工況。

不同隔離樁樁長下橋梁樁基水平位移變化曲線如圖8和圖9所示，從圖中可以看出，與路堤下設(shè)置樁基的規(guī)律一致，設(shè)置隔離樁后，隨著隔離樁樁長增加，樁基最大水平位移不斷降低。當(dāng)樁長為60 m時，對橋基水平位移的控制效果顯著增強，相比于無隔離樁工況最大水平位移降低了55.3%。橋梁樁基的豎向沉降方面也是一樣，設(shè)置隔離樁可顯著降低橋梁樁基的豎向沉降，并且隔離樁越長，對橋基豎向沉降的調(diào)控作用越有效，隔離樁樁長為60 m時橋基豎向沉降比無隔離樁工況降低了34.2%。隔離樁樁長為60 m時控制效果明顯提升的原因與2.1節(jié)中描述的相同。

不同隔離樁樁長下橋基樁身彎矩和軸力變化曲線分別如圖10和圖11所示。從圖10中可以看出，當(dāng)隔離樁樁長為30 m和40 m時，無法對樁身彎矩起到控制作用，甚至在樁長為40 m時，樁身彎矩反而增大了，這是因為樁長不夠長時，基樁將路堤荷載更多地傳遞到靠近相對軟弱層，而正向最大彎矩就是發(fā)生在土層1-3和4-2的交界面處。當(dāng)隔離樁樁長達到60 m時，可有效降低樁身最大彎矩。與無隔離樁工況相比，設(shè)置60 m長的隔離樁后橋基樁身最大彎矩降低了13.8%。從圖11中可以看出，當(dāng)隔離樁樁長在50 m范圍內(nèi)時，橋基樁身在深度40 m左右都出現(xiàn)了負摩阻力，只有當(dāng)樁長達到60 m時，負摩阻力才消失，即樁身軸力明顯減小。這是因為隔離樁未穿越4-2層土?xí)r，由于隔離樁的設(shè)置反而把路堤荷載更多地傳遞到4-2層土中，這樣4-2層土的自身壓縮量比樁身下沉量反而更大，因此產(chǎn)生負摩阻力。

2.2.2 隔離樁距路堤邊緣對鄰近橋基的影響

將長為60 m的隔離樁分別設(shè)置在距路堤邊緣為1 m、5 m和20 m的位置處，分析橋基的變形和內(nèi)力變化規(guī)律。橋基樁身水平位移和豎向沉降變化如圖12和圖13所示，從圖中可以看出，隨著隔離樁距路堤邊緣的距離增大，橋基樁身的最大水平位移和豎向沉降都隨之增大，特別是隔離樁距路堤邊緣5 m增大到20 m時，橋基樁身位移和沉降都顯著增大。

橋基樁身彎矩和軸力的變化曲線如圖14和圖15所示，從圖中可以看出，隔離樁與路堤邊緣距離從1 m增大到5 m的工況下，橋基樁身彎矩和軸力略有增大，但當(dāng)距離增大到20 m時，橋基樁身內(nèi)力有明顯的增大。因此，不論從變形還是內(nèi)力的角度而言，隔離樁都應(yīng)盡可能設(shè)置在路堤邊緣處。

2.3 兩種控制措施的效果對比分析

為保證可比性，選擇兩種控制措施樁長皆為60 m，隔離樁距路堤邊緣1 m的工況。在橋基水平位移控制方面，相比于無控制措施工況下的最大水平位移降低約55%，而路堤下設(shè)置樁基礎(chǔ)工況下的最大水平位移降低了約40%，顯然隔離樁的控制效果更好。在橋基豎向沉降控制方面，路堤下設(shè)置樁基礎(chǔ)工況下的豎向沉降比無控制措施工況降低了35.4%，設(shè)置隔離樁時降低幅度為34.2%，兩者的控制效果相差很小。橋基樁身彎矩方面，路堤下設(shè)置樁基礎(chǔ)比無控制措施降低了15.7%，設(shè)置隔離樁時降低幅度為13.8%，兩者的控制效果相差不大。軸力控制方面，兩種控制措施下橋基樁身最大軸力相差極小，可忽略不計。

3 結(jié) 論

(1) 路堤下設(shè)置樁基礎(chǔ)和路堤邊緣設(shè)置隔離樁都可以減小因路堤穿越對橋基的影響，且樁長越長，控制效果越好，隔離樁應(yīng)設(shè)置在路堤邊緣。當(dāng)?shù)鼗林写嬖谲浫跬翆訒r，樁基礎(chǔ)宜穿越軟弱土層落在較好的土層之中，這樣會明顯提高控制效果。

(2) 本文設(shè)置工況下，設(shè)置隔離樁在橋基水平位移控制方面效果更好，但在豎向沉降和樁身內(nèi)力方面控制效果略差。如果不考慮樁基對路堤沉降的控制因素，設(shè)置隔離樁更為合理。