新建道路下穿特大桥对桥墩和基桩的影响分析

蔡纪锋

(福州市规划设计研究院，福建 福州 350108)

近年来，随着我国城市交通量剧增，新建道路与现存桥梁交叉项目已很普遍。目前，这种下穿形式主要分为桥梁、U槽、板桩、路基等，由于其结构形式特殊性、复杂性，施工过程中必然会对周边土体产生一定的变形与沉降，从而对现存桥梁的墩柱与基桩产生一定的影响[1]。根据以往经验，新建公路与已建或在建高速桥梁交叉跨越时，应优先选择公路下穿高速桥梁方案[2-3]。针对该类工程的施工与设计的复杂性，众多学者对该问题开展了一系列的研究工作，如赵煜星[4]研究表明新建道路的施工对既有桥梁的位移和应力有一定影响，并且建议高压旋喷桩施工采用跳作法。还有相关研究采用数值模拟方法与简化计算方法计算变形、内力等特性，从而提出最优的施工方案[5-8]。综上，新建道路对既有桥梁桥墩和基桩具有一定的影响。

本文以福州新南港大桥接线道路下穿江口特大桥为工程背景，研究堆土及后期行车荷载对江口特大桥桥梁基桩的内力与变形的影响。本次分析重点针对与新南港大桥接线紧邻的第135#～137#墩柱基桩进行内力与变形分析，并对堆土反压的保护措施进行分析，得出相应的结论，为今后该类工程的建设提供一些重要工程经验。

1 工程概况与地质条件

福州新南港大桥接线道路位于K2+220段处下穿江口特大桥福州岸引桥段，如图1所示。新建道路机动车道宽15.5 m，非机动车道宽4 m。设计道路等级为城市主干道，计算行车速度为60 km/h。江口特大桥下穿段上部结构设计为6 m×30 m预应力混凝土连续T梁，下部结构为柱式墩配基桩，墩柱直径为1.5 m，基桩采用直径为1.6 m的灌注桩，其中，第135#和第136#墩柱基桩为摩擦桩，桩长分别为47.5 m和48.5 m，第137#墩柱基桩为端承桩，嵌入微风化凝灰岩，桩长为49 m。桥墩和基桩砼标号均为C25。

图1 新南港大桥下穿江口特大桥示意图

桥址区地质土层自上而下分别为填土、淤泥、中砂、淤泥质土夹砂、中砂夹泥、淤泥质粘土、卵石、强风化凝灰熔岩、微风化凝灰熔岩。具体物理力学指标见表1。

表1 地层物理力学指标

2 计算模型

2.1 模型简化

本文采用平面应变模型进行简化分析，土层厚度取60 m，基桩两侧土体宽度取30 m，单侧路堤填土为1.7 m，宽度为30 m，路面荷载为12.75 kPa。模型左、右侧边界约束土体水平位移，底部边界约束土体竖向位移。土体本构模型采用摩尔-库伦模型，其具体参数如表1所示。基桩及墩柱的详细参数见表2，且刚度均按基桩及墩柱的抗弯刚度和轴向刚度进行等效，具体路堤填土及堆土反压分析模型如图2所示。同时，为考虑上部桥梁对墩柱位移所产生的约束作用，本工程在墩柱顶部采用弹簧支座对桥梁约束进行简化模拟。

表2 地层物理力学指标

2.2 计算工况

(1)路堤填土计算分析模型示意图如图2(a)所示，具体计算工况如下：

图2 计算模型示意图

①建立土层，形成初始地应力，并对位移清零；

②建立基桩、墩柱及柱顶弹簧模型，并施加墩顶荷载；

③填筑路堤填土，并施加路面荷载。

(2)堆土反压计算分析模型示意图如图2(b)所示，具体计算工况如下：

①建立土层，形成初始地应力，并对位移清零；

②建立基桩、墩柱及柱顶弹簧模型，并施加墩顶荷载；

③填筑路堤填土及施加路面荷载，并在邻跨进行堆土反压。

3 计算结果

3.1 墩柱及基桩偏位分析

在填筑路堤填土并施加道路荷载后，各个基桩及墩柱的偏位情况见图3～5，基桩及墩柱的位移值如表3所示。

图3 135#基桩及墩柱偏位曲线

图4 136#基桩及墩柱偏位曲线

图5 137#基桩及墩柱偏位曲线

表3 各基桩及墩柱偏位值

由图3～5及表3可知，在路堤填土及道路荷载的作用下，135#基桩及墩柱均发生了顺桥向偏位，基桩的最大偏位值为5.7 mm，墩柱顶部最大偏位值为6.5 mm，其铅垂偏移最大值为0.7 mm。这表明在路堤填土及道路荷载的作用下，墩柱及基桩的偏位值均较小。

136#基桩及墩柱均发生了顺桥向偏位，但基桩和墩柱的位移均很小。这表明路堤填土及道路荷载对墩柱及基桩的影响很小。但在本次分析中，左右车道的路堤填土及交通荷载均同时施加，不考虑不对称堆载，故在后期施工中，应确保路堤填土同时施作，尽可能减小对桥梁基桩的影响。

137#基桩及墩柱均发生了顺桥向偏位，基桩的最大偏位值为5.6 mm，墩柱顶部最大偏位值为6.2 mm，其铅垂偏移最大值为0.8 mm。这表明在路堤填土及道路荷载的作用下，墩柱及基桩的偏位值均较小。

3.2 基桩弯矩与剪力

在路堤填土及道路荷载的作用下，各基桩弯矩及剪力如图6～8及表4所示。

图6 135#基桩内力分布曲线

表4 各基桩内力值

由图6及表4可知，在路堤填土及道路荷载的作用下，135#桩身产生较为显著的弯矩，弯矩最大值为4 270.6 kN·m，位于淤泥质土层与卵石层交界处(深度约32 m)。同时，由于上部结构对基桩位移的约束，在桩顶处产生了一定的弯矩。此外，在路堤填土及道路荷载的作用下，桩身亦产生了一定的附加剪力。

由图7及表4可知，在路堤填土及道路荷载的作用下，136#基桩产生的弯矩及剪力均很小，基本可忽略路堤填土的影响。

图7 136#基桩内力分布曲线

由图8及表4可知，在路堤填土及道路荷载的作用下，137#桩身产生较为显著的弯矩，弯矩最大值为4 862.0 kN·m，位于淤泥质土层与卵石层交界处(深度约32 m)。同时，在路堤填土及道路荷载的作用下，桩身亦产生了一定的附加剪力。

图8 137#基桩内力分布曲线

3.3 堆土反压效果分析

为了尽可能减小路堤填土及道路荷载对基桩产生的影响，本文提出在135#墩及137#墩的外侧进行堆土反压，反压土高度与路堤填土高度一致。同时，为尽可能避免反压土对134#及138#墩桩基产生不利影响，反压土堆载宽度取桥跨的一半(即15 m)进行分析，将反压土与路堤填土同时进行堆填，从而尽可能避免不对称堆载对桩基产生不利影响，后续堆土反压效果分析亦将反压土与路堤填土考虑为同时施工。考虑到反压堆土对桩基竖向承载力影响较小，故仅对基桩偏位及抗弯承载力展开分析。

在填筑路堤填土、道路荷载及反压土的作用下，墩柱和桩基偏位值见表3。可见当填筑了反压土后，墩柱及桩基的偏位值均有了一定程度的减小，亦对基桩偏位起有利作用。

填筑反压土后基桩内力值见表5。对比表4，可见当填筑了反压土后，基桩弯矩亦显著减小，同时桩身附加剪力也显著减小。

表5 填筑反压土后基桩内力值

4 结语与建议

对新建道路对特大桥桥墩和基桩的内力与变形影响进行了有限元分析，并针对堆土反压所产生的影响进行分析，具体结果如下：

1)通过对135#墩、136#及137#墩基桩及墩柱的位移及内力分析可知，在填土及道路荷载的作用下，135#墩及137#墩柱及基桩均发生较为轻微的偏位，并在桩身产生较大的弯矩，但弯矩最大值均小于桩身抗弯承载力；136#墩受填土及道路荷载的影响较小。但分析过程中，填土及道路荷载均考虑同时施加，即不考虑道路填土的不对称堆载，这在后期桥梁施工中应予以重视。

2)当采用反压土进行堆土反压(与路堤填土同步施工)时，反压土对于减小基桩及墩柱偏位具有明显效果，且基桩弯矩亦显著减小，同时桩身附加剪力也显著减小。

工程措施建议：桥梁下穿孔的路基两侧15 m宽范围两侧各设置加宽路基15 m，平衡下穿孔的填筑附加荷载，道路填筑时可增设土工格栅提高路基的整体稳定性，并要求道路左右幅及边孔同时对称填筑施工。