路堤填筑对既有桥梁桩基影响及处理措施研究

黄 峰

（新疆西域公路建设集团有限责任公司，乌鲁木齐 830000）

由于城市立交建设错综复杂，不可避免地遇到拟建路堤下穿既有桥梁桩基等工况，路堤填筑过程中可能会对既有桥梁桩基带来影响，这也成为了工程师们的研究重点。 近年来，国内学者作了以下研究：韩伟良、宋春雨等[1-2]通过分析软土分布地区的现有桥梁下填筑路堤，对未进行地基处理时及采用水泥搅拌桩复合地基法处理后2 种情况下的路基的沉降及侧向变形，以及既有桩基的沉降和侧向变形进行了研究，结果表明地基处理可有效减少路基和路堤填筑后附近既有桩基的沉降和侧向位移；郑明新、曹淑学等[3-4]针对某深厚软土地区桥台侧移现象运用ABAQUS 数值软件模拟了软土对台后分层填土的施工力学行为，结果表明在深厚软基上小厚度的填土即会对邻近桩基产生较大的影响，随着填土高度增加，水平位移增速加快，竖向位移增速放缓；白楷、李龙田等[5-6]研究得出既有桥墩邻近铁路路基处受路基填土堆载、列车及轨道结构荷载的影响，墩台需承受侧向水平推力作用，该工程中的铁路路基采用悬臂式挡墙收坡处理，分析桥墩水平受力情况，以保证既有桥梁基础及墩台的安全；陈富强、张磊等[7-8]以广州市南沙区某堤防加高对既有城市公路桥梁桩基的影响分析为例，采用了弹性支点法和有限元Midas/GTS 软件就填土加高对桥梁桩基的内力和变形的影响进行了研究分析。 本文以某路堤填筑工程下穿既有桥梁桩基工程为例，分析了路基填筑对桥梁桩基的影响，提出采用挡墙进行处理以减小路堤填筑的影响，并对挡墙的防护距离和埋深进行了讨论研究，研究结果可为类似工程设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

某地区新建公路下穿既有桥梁，既有桥梁上部有火车通行， 已知该公路拟从B 墩、C 墩和D 墩间通过，如图1 所示。路基最大填筑高度为10 m，右侧坡肩位于D 墩右侧5 m 处， 坡面按照坡率1∶1.5 进行放坡处理。 既有桥梁桩基埋深约为20 m，桩基的直径为1.0 m， 沿桥梁走向两桥墩间距为15 m，桥面分为左右2 幅，桥面均采用预制混凝土板。 经现场调查，该处地层主要为粉砂土、粉质黏土、中砂、粗砂和粉砂岩，依次厚度为3.2 m、1.8 m、8.3 m、2.1 m和27.0 m，工程施工过程中，由于填土压力影响，可能会对F 墩产生最为不利的影响。

图1 既有桥梁与拟建路堤位置示意图

2 数值建模

图2 为采用有限元软件ANAYS 建立的数值模型。 考虑到模型的边界效应，模型的长宽高分别取300 m、180 m 和40 m，桥墩桩体、承台和墩桩采用SOLID65 号实体单元进行模拟处理，本构模型采取线弹性模型； 其余土体采用SOLID 45 实体单元进行模拟，本构模型采取D-P 模型。 桥墩桩基的桩径为1.0 m，桩长为20 m，沿桥梁走向两桥墩间距为15 m，桥面厚度取0.9 m，承台长宽高尺寸分别为8 m、10 m 和2.6 m，桥墩、承台和桥面的弹性模量取32 GPa，泊松比取0.2。 除上边界外，其他边界均进行位移约束， 以模拟半无限土体。 路堤填高为5.0～10.0 m。表1 给出了土体材料的弹性模量、摩擦角、重度、泊松比及粘聚力等参数。

图2 数值模型图

表1 土体的物理力学参数

3 数值结果分析

3.1 路堤填筑对既有桩基影响分析

路堤填筑会对临近既有桩基产生影响，尤其会对B 墩、C 墩、D 墩和F 墩产生影响。 图3 给出了路堤填筑诱发B 墩、C 墩、D 墩和F 墩产生水平位移曲线，规定水平向右为正，反之为负。 由图可知，对于B 墩，发生水平向左的位移，桩顶最大位移值为2.42 mm，随着桩深的增加，水平位移逐渐减小，当桩深到-10 m 位置左右时，水平位移趋于0。 对于C墩、D 墩和F 墩，均发生水平向右的位移，桩顶最大位移值分别为1.53 mm、1.78 mm 和21.6 mm，随着桩深的增加，水平位移也同样逐渐减小，当桩深到-10 m位置左右时，水平位移趋于0。 根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019）要求，桥梁偏移量不超过10 mm，由此可知，F 墩的水平位移超出了规范允许值，需采取一定的措施进行加固处理。

图3 各桩体沿深度方向水平位移曲线

3.2 挡墙处理效果研究分析

为了减小路堤填筑对F 墩产生的影响，在距离F 墩一定的距离内设立一挡墙，挡墙高度为7.2 m，其中上墙高度为2.6 m，墙顶宽度为1.0 m，台宽取1.2 m，面坡坡率取1∶0.15，上、下墙背坡坡率分别取1∶0.2 和1∶-0.2。 采用扩展墙趾台阶， 墙趾台阶高0.5 m，宽1.2 m，墙底的坡率取0.1∶1，如图4 所示。

图4 挡墙施作示意图

图5 为施作挡墙之后的计算模型图。 为了分析挡墙距离桥墩不同距离L 及不同埋深H 的影响，研究中L 分别取2 m、4 m 和6 m，H 分别取1 m、2 m、3 m 和4 m 进行讨论分析。

图5 挡墙防护数值模型

图6 给出挡墙在不同埋深H 和不同距离L 时的F 墩的水平位移曲线。 由图可知，F 墩沿桩深的水平位移曲线规律一致， 即桩顶水平位移最大，向下依次减小，在-10 m 深度处逐渐趋于0。如图6（a）所示，当埋深H 取1 m 时，距离L 取2 m、4 m 和6 m时的桩顶水平位移分别为20.1 mm、16.6 mm 和13.9 mm，相对于距离L 取2 m 时，当L 取4 m 和6 m时桩顶水平位移分别减小了17.4%和30.8%， 且此时桩顶的水平偏移值均超出了规范要求值。 如图6（b）所示，当埋深H 取2 m 时，距离L 取2 m、4 m和6 m 时的桩顶水平位移分别为16.8 mm、13.1 mm和11.2 mm， 相对于距离L 取2 m 时， 当L 取4 m和6 m 时桩顶水平位移分别减小了22.0%和33.3%， 此时所有桩顶的水平偏移值也均超出了规范要求值。 如图6（c）所示，当埋深H 取3 m 时，距离L 取2 m、4 m 和6 m 时的桩顶水平位移分别为12.7 mm、8.8 mm 和5.7 mm， 相对于距离L 取2 m时，当L 取4 m 和6 m 时桩顶水平位移分别减小了30.7%和55.1%， 此时，L 取4 m 和6 m 时桩顶水平偏移值满足规范要求。 如图6（d）所示，当埋深H 取4 m 时，距离L 取2 m、4 m 和6 m 时的桩顶水平位移分别为11.4 mm、7.8 mm 和5.4 mm， 相对于距离L 取2 m 时，当L 取4 m 和6 m 时桩顶水平位移分别减小了31.6%和52.6%，此时，L 取4 m 和6 m 时桩顶水平偏移值满足规范要求。

图6 挡墙不同埋深和防护距离时的桩身水平位移曲线

从上述分析可以发现， 在距离L 取2 m 情况下，相对于埋深H 取1 m 时，埋深H 取2 m、3 m 和4 m 时桩顶水平位移分别减小了16.4%、36.8%和43.3%；在距离L 取4 m 情况下，相对于埋深H 取1 m 时，埋深H 取2 m、3 m 和4 m 时桩顶水平位移分别减小了21.1%、47.0%和53.0%；在距离L 取6 m情况下，相对于埋深H 取1 m 时，埋深H 取2 m、3 m和4 m 时桩顶水平位移分别减小了19.4%、59.0%和61.2%。

综上可知， 通过增大挡墙埋深和增加挡墙与F墩柱之间距离可以有效地减小桩顶水平偏移，针对文中工况，在挡墙埋深≥3 m，挡墙与F 墩柱之间距离≥4 m 时能满足工程需要。

4 结论

本文以某路堤填筑工程下穿既有桥梁桩基工程为例， 重点分析了路基填筑对桥梁桩基的影响，之后提出采用挡墙进行处理以减小路堤填筑产生的影响，并对挡墙的防护距离和埋深进行了讨论研究，得到以下结论：

（1）桩顶水平位移最大，随着桩深的增加，水平位移逐渐减小，当桩深到-10 m 位置左右时，水平位移趋于0。桥梁F 墩柱偏移量超过了规范允许值，需采取一定的措施进行加固处理。

（2）当挡墙埋深取1 m 和2 m 时，挡墙与F 墩柱之间距离取2 m、4 m 和6 m 时桩顶水平偏移均超出了规范值； 当挡墙与F 墩柱之间距离取2 m时，挡墙埋深取1 m、2 m、3 m 和4 m 时桩顶水平偏移也均超出了规范值。

（3）通过增大挡墙埋深和增加挡墙与F 墩柱之间距离可以有效地减小桩顶水平偏移，针对文中工况，在挡墙埋深≥3 m，挡墙与F 墩柱之间距离≥4 m时能满足工程需要。