高速公路既有路堤受桥梁施工影响的分析

周志林

(四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川成都 610041)

1 工程概况

某铁路桥梁跨越既有高速公路，采用68 m+120 m+68 m连续梁跨越。其中5号梁的大承台边缘由高速路堤边坡脚向内延伸0.55 m，具体见图1。桥梁施工对既有高速公路路基影响较大，为确保既有高速公路路堤安全，采用有限元分析桥梁施工时是否采取加固措施，路基沉降以及影响范围。

2 有限元分析模型

2.1 计算模型

以该桥梁整个施工过程为实例建立三维有限元计算模型，模型装配见图2。

1)假定开挖过程历时较短，采用总应力法分析，因施工采用机械施工，群桩基础施工速度快，故不考虑土的固结和渗流的影响。2)模型仅考虑基坑外的地表的沉降与桥梁的沉降，因而把桥梁的自重与施加在桥梁上的荷载转化为均匀荷载施加在承台上。3)桩基之间的距离为4 m，为了简化模型的计算，土体与承台宽度只取2 m，抗滑桩与桩基取一半，且在计算桥梁沉降时不考虑回填。4)高速公路活载参照《公路桥涵设计通用规范》中的公路—Ⅰ级车道荷载取值为10.5 kN/m2。

图2 模型装配图

2.2 单元类型与计算参数

模型所有土体与承台结果复杂，采用C3D4(四节点线性四面体)单元;抗滑桩、桩基采用C3D8I(八节点线性六面体，非协调模式)单元更好的模拟变形，模型单元总数为12 693。抗滑桩和桩基与土体之间设接触面，接触面法向采用硬接触，切向采用摩擦系数0.50，离散化方法采用面对面离散。

3 计算结果与分析

为研究抗滑桩对高速路堤的保护效果，利用上文有限元模型分别对是否设置抗滑桩的两种情况进行计算。

3.1桩基开挖对高速路堤路面的影响

桩基开挖完成时是否设置抗滑桩高速路堤路面的沉降量、水平位移见图3，图4。从图3可以看出，沉降量出现负值，说明在桩基开挖阶段高速路堤出现隆起趋势，而且设置抗滑桩时隆起的量比不设置抗滑桩的隆起量大，其原因是考虑地应力，桩基开挖使得地应力减小，在未设置抗滑桩时，路堤本有一定的沉降量，两者相互抵消，则出现该情况。从图4可以看出，在未设置抗滑桩时，路堤的水平位移呈线性关系，而设置抗滑桩对路堤水平位移有减小作用，但因在该阶段不设置抗滑桩时水平位移就不大，所以这种减小趋势不是很明显。从两幅图总体来看，在该阶段两种情况下的隆起最大值都不大于5 mm，水平位移量也不大于3 mm，而且是否设置抗滑桩的区别不是很明显，其原因有二:1)桩基开挖没有伸入路堤边坡，尚未直接破坏路堤边坡;2)桩基开挖面积小，开挖半径0.75 m。在这个施工阶段是否设置抗滑桩，桩基的开挖对高速路堤影响也不足以产生裂缝。

图3 桩基开挖时是否设置抗滑桩路堤沉降对比图

图4 桩基开挖时是否设置抗滑桩路堤水平位移对比图

3.2 基坑开挖对高速路堤路面的影响

在基坑开挖这个施工阶段，未设置抗滑桩在0 m处沉降量最大，达到46.67 mm，而设置抗滑桩时最大沉降量3.72 mm。当未设置抗滑桩，该阶段对路堤的影响范围达到6 m左右，6 m以后对路堤几乎没有影响。在该阶段未设置抗滑桩时，对路堤的影响范围达到8 m，发生最大水平位移在2 m处，达到53.88 mm，而设置抗滑桩时，最大水平位移不大于14 mm。显而易见，在基坑开挖阶段，是否设置抗滑桩产生的影响的区别很显著，未设置抗滑桩将破坏高速路堤路面，在路面上会产生裂缝，严重影响路堤路面使用功能;设置抗滑桩可以显著减小高速路表面沉降和水平位移，起着保证路堤稳定性效果。该阶段对高速路堤的影响如此大其原因是，承台的大面积开挖，且此时已伸入路堤边坡，严重破坏了路堤边坡，此时应预先采取一定保护措施，否则将严重破坏路堤的稳定性。

3.3 桩基与基坑开挖抗滑桩承载力比对

抗滑桩在桩基与基坑开挖两阶段应力都是随着抗滑桩深度增加而加大，达到14 m深度左右位置增加到最大，然后随着深度增加应力反而减小。在基坑开挖时，最大应力达到6.26 MPa，而且基坑开挖阶段最大应力大约是桩基开挖阶段的2倍。综上所述，在设计抗滑桩强度和埋置深度时要按基坑开挖阶段进行，保证抗滑桩要有足够的强度以及埋置深度，埋置深度需要大于14 m，再考虑需要一定的深度来缓冲该工程情况20 m最为合适。

3.4 桥梁施工过程桩基与桩间土沉降

随着桩基深度加深，桩基、桩间土的沉降量都随着减小，桩基呈线性减小，桩间土因各深度地质情况不同而非线性减少。在桩基深度14 m前，桩间土沉降量大于桩基沉降量，即在这段深度桩基受到负摩擦力，因这段深度土质较差。可见桩基深度达到14 m后，土体才赋予桩基摩阻力。当达到24 m以后，桩间土沉降量不大于1 mm，而且趋于渐渐平缓趋势，这是因该深度以后土质变得坚硬。桩基、桩间土在桩端处，沉降量都不大于0.5 mm，桩基沉降量略大，但不大于0.1 mm，可见该桩基是摩擦桩。

3.5 桥梁施工过程桩基与桩间土应力

桥梁施工过程桩基与桩间土应力随着深度加深呈线性增加，而桩基应力随着深度加深先增加，再减小，4 m～24 m这段深度基本保持平衡，都在5.1 MPa左右，24 m以后逐渐减小，在桩基的桩端处3.18 MPa。桩基与桩间土的应力差数十倍。综上所述，说明承台、上部结构的自重及荷载主要靠桩基来传递给下层持力层。桩基必须有足够的强度及埋置深度。

4 结语

1)桥梁施工前必须先采取有效措施保护临近建筑设施，避免对临近建筑物稳定性破坏。2)在施工时设置抗滑桩可以作为一种保护临近建筑设施的措施，满足工程需要。3)抗滑桩强度及埋置深度都应满足工程要求，在抗滑桩设计时要以基坑开挖阶段进行考虑。4)有限元理论分析在岩土中预测沉降效果显著，值得参考。5)桩基在一定深度范围内会产生负摩擦力，主要由坚硬的下层土质来赋予桩基摩阻力。6)上部荷载主要是靠桩基传递到持力层，桩基强度与埋置深度一定要满足要求。

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