堤围加固对广肇高速桥梁的影响分析

冯佳佳，于金媛，雷艳红，朱登远

（1.西藏大学工学院，拉萨 850000；2.肇庆市公路发展有限公司，广东 肇庆 526040）

1 引言

桥梁是道路工程的重要组成部分，作为道路交通建设的重要组成部分，桥梁的安全问题日益引起人们的关注[1]。桥梁在建设的过程中存在施工难度大，施工环境差的问题。在桥梁服役过程中，受到各种因素的干扰，桥梁基础和桥墩容易产生变形甚至破坏。若桥墩或者基础变形过大不仅会对道路线形造成影响，而且可能会造成桥梁路面的开裂，影响其耐久性与安全性[2]。正在服役的广肇高速某段桥梁下部堤围拓宽与加固改变了原有桥梁基础地基的应力状态，本文对该桥梁在下部堤围施工影响下的基础与桥墩进行变形与强度分析。

2 工程概况

广肇高速某段大桥距离莲塘围较近桥墩的位置桩号为LT5+115~LT5+200。莲塘围除险加固工程在该交互区段，堤顶宽度由7.5 m拓宽至20 m，并以1∶2~1∶3放坡至高程约12.5 m处，以挡土墙挡护，堤围加固前后断面形式变化较大，靠近桥墩侧新增回填砂类土及混凝土挡墙，同时堤顶路由两车道变为4车道。由平面图图1可知，部分堤顶及上堤辅路下穿广肇高速，加固堤围坡脚距离桥墩最近处约2.5 m。

该堤围加固工程涉及广肇高速大桥引桥9#~13#墩。该桥梁上部结构为预应力混凝土空心板梁，其中A12墩位于联端，小桩号侧为16 m跨径，大桩号侧为12 m+2×20 m+19.1 m+20 m+8.9 m跨径，设置多孔桥面连续，采用球冠圆板式橡胶支座；下部采用钻孔灌注桩，桩基直径1.2 m，桩长约40 m，桥墩直径1.0 m，墩高约9.5 m，桩间系梁1.2m×1.0 m，墩顶盖梁为1.2 m×1.2 m（16 m跨径联）、1.4 m×1.2 m（20 m跨径联）。

该区域地质条件为及其参数的选取如表1所示。

图1 交互区段平面图

表1 土层参数表

3 计算模型的建立

3.1 计算模型

本次计算堤围加固及车辆荷载对桥墩影响，采用有限元分析软件进行分析，该软件可以支持静力分析、动力分析等多种分析类型，适用于本次桩基计算的准确建模与分析。有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

本模型土体高49.5 m，长200 m，宽120 m，共计约50 000个单元。其中土体、堤坝、道路、挡土墙等采用实体单元，坝体、上堤路、上堤辅路、加固坝体采用前述0#土层。桩基采用植入式梁单元；盖梁、系梁、桥墩、板梁采用梁单元[3]。

约束条件：本模型各实体单元采用共节点连接，模型对土体（包含坝体）四周及底部进行约束；桩顶节点采用植入式梁单元与土体连接（与共节点类似），单元长度约2 m；挡土墙等需要开挖土体后浇筑混凝土，此处采用改变网格性质约束法实现材料的转换。

3.2 荷载施加

3.2.1 堤围加固荷载

本荷载通过建立“加固坝体”模型进行加载，模型最大限度地模拟了加固前、后坝体实际堆土情况，“加固坝体”自重是对交互区段桥梁桩基影响的主要因素。

3.2.2 上部结构荷载

通过桥梁通软件计算桥梁上部结构传递至墩顶荷载，荷载主要包括：结构恒载、汽车活载、温度力、制动力等。所提荷载采用基本组合，其中结构恒载对计算结果有利，分项系数取1.0，其他荷载分项系数参考JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》[4]。

各桩位处墩顶（用于模型施加）、桩顶（用于计算桩基承载力）荷载计算结果如表2所示。

表2 桥梁墩顶荷载设计值

3.3 计算工况

1）分层建立土体模型，添加土体边界条件，施加重力，形成初始应力场。

2）建立桥梁模型，包括桩基、系梁、墩柱、盖梁、主梁；建立初始堤围模型，包括初始坝体、上堤路、上堤辅路；墩顶施加上部荷载；位移归零[5]。

3）建立加固堤围模型，包括加固坝体、LT5+140至大桩号末端挡墙，此工况为当前现场实际情况。

4）建立后续施工模型，即建立LT5+115~LT5+140处挡墙。

4 计算结果

4.1 堤围加固（堆载工况）

4.1.1 桩体位移

根据有限元模型计算结果，桩体横向位移分析图（堆载工况下）如图3所示，由结果可知，9#、10#桩基受堤围加固影响最大，桩体受坝体加固影响产生最大15 mm位移，桩顶最大8.5 mm位移；桩体最大位移位于桩顶（系梁）以下约7 m处。

图3 桩体横向位移图（堆载工况）

4.1.2 桩墩弯矩

根据有限元模型计算结果，各墩位处桩体（堆载工况下）横桥向弯矩如图4所示，由结果可知，9#~11#桩基受堤围加固影响最大，桩体受坝体加固影响产生最大1 094 kN·m弯矩，桩顶最大359 kN·m弯矩；桩体最大弯矩位于桩顶（系梁）以下约7 m处；墩柱底部弯矩较小，最大约106 kN·m。

图4 桩墩弯矩图（堆载工况）

4.2 增设挡土墙（挡土墙工况）

4.2.1 桩体位移

根据有限元模型计算结果，各墩位处桩体（挡土墙工况）位移如图5所示，由计算结果可知，建设LT5+115~LT5+140处挡墙，使11#~13#桩基产生0.4 mm的横向位移。

图5 桩体横向位移图（挡土墙工况）

4.2.2 桩墩弯矩

根据有限元模型计算结果，各墩位处桩体（挡土墙工况）横桥向弯矩汇总如图6所示。由结果可知，建设LT5+115~LT5+140处挡墙，对11#~12#桩顶造成最大65 kN·m弯矩，对桩体造成最大78 kN·m弯矩，对墩底影响很小。

图6 桩墩弯矩图（挡土墙工况）

5 结论

1）在广肇高速桥梁桩基础处的堤围处施工会对已有桥梁的基础产生影响，其中大量堆载压实使桩基产生横向位移最大值为15 mm，出现在距离桩基顶部以下7 m处；后期挡土墙的施工会使临近桩基产生位移，其中临近桩基产生的横向最大位移为0.4 mm。分析原因，大量的堆载压实使土中附加应力增加，引起土体的不均匀沉降，靠近堤围侧沉降量大，远离堤围侧沉降量小，土体的不均匀沉降导致桩体发生侧向位移；挡土墙的浇筑与施工会对临近桩基产生影响，但是总体影响较小。由此可见，桩基的位移主要是由于堆载引起的而非施工扰动产生的。

2）堤围堆载造成桩体在桩顶以下7 m处产生最大弯矩1 094 kN·m，同时引起墩底最大弯矩106 kN·m；后期挡土墙的修建对桩体产生的弯矩最大为78 kN·m，对墩底基本上无影响。因此，需要堤围堆载施工前，核对桩基与墩柱的抗弯性能是否满足条件，在施工期间密切监测桩基与墩柱的应力应变[6]。