河道邻近开挖对互通区桥梁及路基的影响分析*

李梅芳 丰月华 夏华盛

(浙江公路水运工程咨询有限责任公司,浙江 杭州 310006)

1 引言

近年来,我国交通运输事业快速发展,公路、铁路、水运里程持续增长,交通网络日臻完善。然而,受到国土空间规划和自然环境的限制,许多新建项目都涉及邻近开挖施工的问题。开挖施工引起的土体地层扰动,将对邻近桥梁桩基、路基产生附加内力和变形[1-5],严重时甚至引起结构破坏、路基失稳等事故。因此,国内外学者对此问题开展了广泛的研究:魏丽敏等[6]针对浙江省宁波北站工程,结合现场原型试验及数值分析对深厚软土地区无支护基坑开挖对邻近高铁桥梁桩基变形与内力的影响进行了分析,认为邻近开挖将劣化桩基工作性能,并探讨了基坑宽度、边缘净距等因素对邻近桩基的影响规律;乔然等[7]结合浙江省宁波某新建河道下穿杭深高铁工程,分析河道开挖、结构浇筑等阶段对于高铁桥梁的影响,认为下穿新建河道对桥梁影响较大,建议增加维护结构及分区块均匀开挖以减小河道开挖对桥梁的影响;张青青等[8]采用工程地质调查、数值模拟等方法对开挖引起的广州某高速公路路基塌陷事故的原因进行了分析,建议涉路基坑开挖工程采用严格的变形控制措施,并加强现场安全监测。

本文以浙江省台州市某公路工程菱形互通为例,对互通桥下河道改移对桥梁桩基、匝道路基的影响进行了分析与计算,并根据计算结果提出了具体建议措施,以期为同类工程提供经验。

2 项目背景

2.1 工程概况

浙江省台州某公路工程全长约22.3 km,为一级公路兼顾城市快速路功能,设计速度80 km/h。改建河道位于本项目菱形互通位置,互通全长1640 m。互通中间快速路部分采用主线高架桥梁跨越地面道路。主线桥采用钻孔灌注桩基础,圆柱墩接盖梁,桩径1.6 m,立柱直径1.5 m,桩长81.5 m,桩顶设置系梁。主线桥的左右幅外侧钻

孔灌注桩位于匝道路基的边坡上。主线地面道路采用A2、B2、C2、D2四条匝道与交叉地面道路相接,匝道地基采用双向水泥深层搅拌桩处理。互通平面图见图1,互通横断面见图2。

图1 互通平面图

图2 互通横断面图

现状泄洪河道与路线呈15°斜交,河道斜穿A2、D2匝道路基;改移泄洪河道工程位于互通主线高架桥下,在主线高架桥的第2孔接入,沿桥梁中线直至25跨再接原河道,改移长度约667 m。改移后河道顶面宽度约14～17 m不等,河床底宽4～10 m不等,深度2.5 m,边坡边率1∶2.0;设计改河后河床采用1.0 m厚的片石铺底,边坡采用30 cm厚的浆砌片石护坡。

河道改移后,主线高架桥的左右幅外侧桩基位于路基(河道)坡脚范围内,内侧桩基位于河道内,河道底标高约0.3 m,与路面顶标高相差约4.2 m,铺砌片石底标高距路面顶标高5.2 m。匝道路基与改移河道、主线桥桩基位置见图3。

图3 匝道路基与改移河道、主线桥桩基位置图

2.2 场地工程地质条件

互通区地层主要有粉质黏土、淤泥、淤泥质粉质黏土及粉砂层。具体土层物理力学指标见表1。

表1 互通区土层物理力学指标表

2.3 初步拟定的施工工序

为尽量缩短施工时间,项目初步拟定的施工工序如下。

1)现状河道围堰断流清淤换填,开挖临时沟渠;同步施工不受现状原河影响的B2、C2匝道水泥搅拌桩。

2)临时沟渠引流后,施工A2、D2匝道水泥搅拌桩;匝道路基搅拌桩施工完成后进行初步路基填筑、预压(填筑高度0.5～0.8 m);同步施工主线桥梁桩基、下部结构。

3)开挖新建河道、铺筑河底。

4)施工主线桥上部结构;同步分层填筑匝道路基至设计标高。

3 河道开挖影响分析

3.1 理论分析

沿河公路路基稳定性受河道开挖深度、水位升降、河流冲刷等多种因素影响。河道开挖本质上是沿河道位置的土体荷载大量卸载,必然使得周边影响区域内的土体产生应力释放,导致周围土体产生水平和竖向位移。在软土地区,由于地基土物理力学性质差,近邻开挖河道对路基稳定性将产生较大影响,处理不当时可能导致周边构筑物发生变形,甚至破坏[9]。

本项目河道开挖位置为主线桥正下方,河道开挖引起的地表沉降及横向水平位移会导致桥梁下部结构不同位置产生不同的位移,此时将在桥梁结构内部产生附加弯矩、剪力和轴力,当附加应力超过一定限值,桥梁各构件将发生开裂,最终导致结构破坏。因此,河道开挖对邻近桥梁不利影响的控制性因素为结构裂缝。

而河道开挖对邻近路基的影响依据《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)进行控制,规范中对软土地区路堤提出了两项要求:路堤稳定性、路基工后沉降。

根据土力学基本原理,黏性土质边坡的稳定性主要取决于黏性土的含水状态、抗剪强度等,其破坏面基本为圆弧面,因此,有关学者分析粘性土边坡稳定时近似假定土坡失稳的破坏面为圆弧滑动面,规范中亦建议软土路堤稳定性验算采用圆弧滑动法。稳定安全系数要求见表2。

表2 稳定安全系数容许值

路基工后沉降计算采用分层总和法,主固结沉降Sc按下式计算[10]:

式中:Esi——地基中各分层的压缩模量(kPa);

Δpi——地基中各分层中点的附加应力(kPa)。

路基工后沉降的具体要求见表3。

表3 容许工后沉降(单位:m)

本项目匝道路基一般路段填高1～2.5 m,邻近改移河道匝道路基段在河道开挖后路基单侧临空面高度提高至4.2 m。根据路基工后沉降计算公式可知,路基沉降由路堤中心填高及地基土物理力学性质决定。而河道开挖对本项目匝道路堤中心填高及其地基土物理力学指标并未产生影响,因此,河道开挖对邻近匝道路基影响的控制性因素并非工后沉降,而是路基临河道开挖侧稳定性。

3.2 河道开挖对桥梁及路基影响的有限元分析

为深入分析桥下河道开挖对邻近桥梁及路基的影响,采用Midas GTS建立有限元模型进行数值分析,几何模型选取路基填土较高土压力较大的最不利断面进行模拟,鉴于施工工序中在进行河道开挖前已经填筑部分路基,施工状态按以下不利状况考虑:路基填筑至路床顶,河底开挖至铺砌设计底标高。几何模型的x轴沿横桥向,y轴为顺桥向。材料模型中土体、桩基、系梁、盖梁、辅助支撑等均采用实体单元进行模拟,土体采用Mohr-Coulomb模型,桩基、系梁、盖梁、辅助支撑采用弹性模型模拟材料的应力应变关系。几何模型及网格剖分情况如图4所示,模型左侧限制水平向位移,模型右侧为对称边界,模型底部为固定边界,顶部为自由边界。

图4 几何模型及网格剖分情况

分析按照下列三种工况进行计算,各工况桥梁墩柱水平及竖向位移云图见图5。

图5 各工况计算结果

工况一:桥梁桩基、系梁、墩柱已经施工完成,尚未施工盖梁时进行河道开挖,左右幅桩基之间不设置加固辅助支撑。

工况二:盖梁已经施工完成情况下进行河道开挖,左右幅桩基之间不设置加固辅助支撑。

工况三:盖梁已经施工完成,左右幅桩基之间设置加固辅助支撑后进行河道开挖。

3.3 数值模拟分析结果

3.3.1 河道开挖对桥梁下部结构的影响

计算三种工况下的桥梁墩柱变形,根据桩身受力变形情况计算钢筋应力,然后验算墩柱裂缝是否满足规范要求。

1)位移计算结果

表4 墩柱位移计算结果(单位:cm)

2)桥梁墩柱裂缝验算结果

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)6.4.3条进行裂缝宽度计算,计算公式如下:

式中:C1——钢筋表面形状系数,带肋钢筋按1.0计;

C2——长期效应影响系数,本次计算为施工阶段,无活载,按1.5计;

C3——与构件受力有关的系数,偏压构件,按0.75计;

c——最外排钢筋保护层厚度,本桥c=61 mm＞50 mm,按50 mm计算;

d——纵向受拉钢筋直径,本桥d=28 mm;

ρte——纵向受拉钢筋有效配筋率;

σss——钢筋应力;

各工况裂缝计算结果如表5所示。根据计算结果,各工况柱底截面裂缝宽度均满足要求。

表5 各工况裂缝计算结果

3.3.2 河道开挖对匝道路基的影响

1)计算分析原理

土质边坡稳定性基于圆弧滑动面假定进行,目前主要采用两种分析方法:①整体稳定分析法。适用于均质简单土坡:土坡上、下两个土面水平,坡面是一平面情况;②条分法。适用于非均质土坡、土坡外形复杂、土坡部分在水下时使用。由于本项目边坡位于软土地区,路堤填料为土石混合料、地基土层均为粘性土;路基边坡最不利工况为路基填筑至路床顶,河底开挖至铺砌设计底标高情况,因此采用圆弧条分法分析对开挖至最不利工况路基的稳定性进行计算。

边坡稳定安全系数F按下式计算:

式中:cqi、φqi——地基土或路堤填料的粘聚力

(kPa)和内摩擦角(°),由快剪试验测得;

φcqi——地基土的内摩擦角(°),由固结快剪试验测得;

Ui——地基平均固结度(%);

αi——土条底面与水平面交角(°);

Li——土条底面弧长(m);

WⅠi——土条地基部分重力(kN);

WⅡi——土条路堤部分重力(kN)。

2)分析结果

采用圆弧条分法对不同匝道路基处理方式下路基的稳定性进行计算。其中,水泥搅拌桩桩径为0.5 m,桩间距采用1.5 m,水泥搅拌桩处理后的复合地基抗剪强度采用《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》(JTG/T D31-02-2013)中5.6.4进行计算,复合地基抗剪强度τps=mτp+(1-m)τs,m为置换率,经计算,其值为0.1;τp为水泥搅拌桩抗剪强度,取为300 kPa,τs为土体强度,取为9.0 kPa;因此复合强度τps=35.1 kPa。泡沫砼换填主要起到减轻路堤重度作用,计算时其重度取为7.0 kN/m3。本项目采用的各加固措施示意图见图6。

图6 横向辅助支撑、水泥搅拌桩加固处理、泡沫砼处理范围示意图

不同处理方式下,匝道路基稳定性计算结果如表6所示。

依据《公路路基设计规范》中对稳定系数的要求,搅拌桩加固至填方路基坡脚时,匝道路堤稳定性不满足规范要求;搅拌桩加固区域扩展至河道底时,路基稳定系数可显著提升至1.21,能够满足规范要求;搅拌桩加固区域扩展至河道底,同时路基采用泡沫砼填筑(换填1 m泡沫砼),则路基稳定系数可进一步提升至1.24。

表6 匝道路基稳定性计算结果

4 建议施工加固措施及工序优化

1)计算分析结果显示,河道开挖将使邻近桥梁下部结构产生附加内力及位移,施工顺序对其值有较大影响:先施工盖梁,再开挖河道时桥梁墩柱产生的附加内力及位移小于施工完成墩柱后即开挖河道时的内力及变形;同时,左右幅桩基之间设置加固辅助支撑情况下进行河道开挖,桥梁桩基、立柱的变形将显著减小。

故推荐采用左右幅桩基之间增设横向混凝土辅助支撑的加固方案;并建议施工工序优化为先施工完成桥梁盖梁及左右幅桩基间横向混凝土辅助支撑,后开挖新建河道。

2)河道两侧匝道路基稳定系数较低,不能满足规范中的稳定性安全系数要求,建议水泥搅拌桩处理范围扩大至改河断面;建议施工工序优化为:施工完成桥梁盖梁及左右幅桩基间横向混凝土辅助支撑后,开挖新建河道,待河底水泥搅拌桩加固完成再进行河底铺筑。此外,必要时可采用泡沫砼换填路基,以进一步提高匝道路基稳定性。

3)河道开挖、匝道路基填筑过程中建议保持桥梁立柱两侧对称施工,以免对桥梁基础产生单侧挤出影响。

4)由于软土压缩性大,变形稳定时间长,施工期间建议加强桥梁桩基、墩柱及软土路基位移监测。

5 主要结论

本文结合浙江台州某公路工程互通区河道改移工程实例进行分析与计算,得到以下主要结论。

1)河道开挖引起上方主线桥梁产生附加位移及应力,导致桥梁墩柱产生裂缝。根据计算分析结果,优化施工时序(桥梁盖梁施工后再进行河道开挖),增加左右幅桥梁间横向支撑将有效控制桥梁下部结构变形及裂缝。

2)河道开挖对邻近匝道路基的控制性影响为路基稳定性。可通过扩大水泥搅拌桩处理范围至河道底部,或泡沫砼换填路基的方式,有效提高路基稳定性。