某新建道路软基处理对既有桥梁结构安全的影响分析

郑楷柱 郑恒斌 杜立凡

摘要：某新建道路下穿既有三跨预应力混凝土连续刚构桥，受道路软基处理和堆载所诱发土体扰动的影响，桥梁墩身产生了不匀均沉降及水平位移，经现场监测其最大值分别达到4.1 mm和9.5 mm。为分析下穿道路软基处理对既有桥梁结构安全的影响，文章建立了桥梁空间杆系有限元模型，基于现场监测值分别进行了桥梁单桩承载力、桩基抗弯剪承载力和上部结构承载力的验算分析。结果显示，桥梁各项承载力验算均能满足规范要求，表明现有状态下的道路软基处理不会对既有桥梁结构安全造成影响。

关键词：新建道路;下穿;软基处理;既有桥梁;结构安全

0 引言

近年来，随着我国城市交通量剧增，新建道路不可避免地会出现与现有桥梁的交叉。根据以往经验，新建道路与已建或在建桥梁交叉跨越时，应优先选择道路下穿桥梁方案。在软土区域内修建道路，需要对软土地基进行加固处理，而在软基处理的过程中必然会对周边土体产生一定的变形与沉降。地基土的沉降将在桩身产生负摩阻力，导致桩基发生附加沉降。同时，当墩柱周围的填土堆载不对称时，地基土除发生竖向变形外，还将发生侧向变形，这使得桩基发生侧向位移，并带动桥墩及上部结构发生偏移。当桥梁桩基发生的位移过大时，可能导致桥梁结构发生破坏，影响桥梁的正常使用[1-4]。

针对该类工程的复杂性，国内外学者对该问题开展了一系列的研究工作，Springman等[5]通过离心试验，研究了堆载作用下桩基变形与弯矩的变化规律;李志伟[6]结合具体工程实例，针对不对称堆载作用下的桥梁墩柱及桩基的位移与内力进行了分析;梁育玮等[7]针对侧向堆载对城际铁路高架桥的影响进行了有限元分析，提出了不同堆载高度下的安全距离。

本文以某新建道路下穿既有三跨预应力混凝土连续刚构桥为工程背景，研究道路软基处理和填土堆载对桥梁承载能力的影响，为今后该类工程的建设提供相关经验及参考。

1 项目概况

某新建道路在下方横穿既有桥梁66#～68#墩，在道路建设过程中，由于桥下区域为河堤软土区，土质较差，需要在桥梁下方进行软基处理，软基处理方式采用水泥搅拌桩加[=XQS（]某新建道路软基处理对既有桥梁结构安全的影响分析/郑楷柱，郑恒斌，杜立凡[=JP2]固以及地表填土。桥梁上部结构采用（33+33+30）m预应力混凝土连续刚构，2个中墩墩梁固结，2个边墩设置支座。箱梁分2幅布置，每幅宽度由17.35 m渐变为22.75 m，单箱三室。下部结构采用实心花瓶墩，每幅箱梁采用双花瓶墩，单个花瓶墩壁厚1.2 m，底宽1.8 m，顶宽3.6 m。单个花瓶墩的基础采用群桩基础，设置2根1.4 m直径的桩基。桥梁横断面示意图如图1所示。

2 现场监测方案及结果

为监测在道路施工过程中桥梁墩身产生的沉降与水平位移，在桥梁的中墩以及一端的边墩上设置位移监测测点。观测点位于桥墩底部6 m处和3 m处，其中3 m处的测点为复核测点。

监测数据反映，在道路施工过程中，桥墩出现了4.1 mm的最大沉降，发生了9.5 mm的最大水平位移。具体监测结果如表1所示。

3 桥梁有限元模型建立

采用Midas Civil软件建立有限元模型进行计算分析。模型采用空间杆系结构，主梁、桥墩及桩基均模拟为空间梁单元，全模型共划分为226个节点和194个单元。支座采用弹性连接的方式进行模拟，墩梁、桩墩连接均使用刚性弹簧的方式模拟，桩-土耦合作用采用施加线形节点支承的方式模拟，在支座底部与桩底施加一般支承以限制模型的位移。在Midas Civil软件中建立的桥梁有限元模型如图2所示。

4 橋梁结构安全分析

4.1 单桩承载力分析

新建道路在现有桥梁下方下进行河堤和道路的填土和软基处理，由于该处地质存在20 m左右的软基，势必对桥梁桩基产生负摩阻，为此对桩基的承载能力进行验算，并充分考虑填土的2.5 m厚度和20 m淤泥的负摩阻效应。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019）[8]，对单桩承载力进行验算。

求得单桩轴向受压承载力容许值为18 261.2 kN，大于设计单桩竖向力为6 500 kN，富余度为180.9%。经验算，考虑填土产生的桩基负摩阻效应，桩基的单桩承载能力满足规范要求。

4.2 桩基抗弯剪承载力分析

由于桥墩最大产生了9.5 mm的水平位移，为此对群桩基础进行分析，施加10 mm的强迫位移后，进行桩基的承载力验算。桩基内力包络图见图3、图4。基本组合下桩基弯矩最大值为3 410.3 kN·m，轴力最大值为8 128.1 kN。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362 D62-2018）[9]中的规定，对桩基压弯构件承载力进行验算。

轴力承载力容许值：

[Nr]=Ar2fcd+Cρr2f′ sd=9 439.8 kN

弯矩承载力容许值：

[Mr]=Br3fcd+Dρgr3f′ sd=4 454.2 kN·m

经验算，桩基轴力及弯矩承载力容许值均大于设计值，桩基的压弯承载力满足规范要求。

4.3 上部结构承载力分析

由于桥下河堤和道路的填土和软基处理，产生了桥墩沉降，而上部连续箱梁对于桥墩的沉降比较敏感，会产生附加内力。为此考虑5 mm沉降值，核查桥梁上部结构的承载能力。频遇组合下，主梁下缘应力包络图如图5所示，拉应力最大值为0.29 MPa（<1.89 MPa），压应力最大值为8.51 MPa（<23.1 MPa）;主梁上缘应力包络图如图6所示，拉应力最大值为1.51 MPa（<1.89 MPa），压应力最大值为11.15 MPa（<23.1 MPa）。由此主梁上下缘应力满足规范[9]要求。

本次验算的不均匀沉降取值5 mm，大于监测到的最大沉降量4.1 mm，故实际情况下桥梁上部结构承载力满足规范要求。

5 结语

结合桥下软基处理情况，使用Midas Civil软件建立三维有限元模型，主要结论如下：

（1）由于桥梁采用嵌岩桩，考虑填土使软土产生负摩阻之后，单桩承载力仍然满足规范要求。

（2）对于桥墩产生的水平位移，按10 mm进行验算，虽然桩基的承载力能满足，但是设计一般不考虑桩基的强迫水平位移，为此需要严格控制桩基的位移量，避免危及橋梁安全。

（3）桥梁在设计过程中，特别是连续箱梁等超静定结构，都会考虑一定的沉降值。目前结合监测沉降值最大为4.1 mm，按5 mm进行验算，连续箱梁承载力和应力满足规范要求。

参考文献：

[1]冯忠居，张永清，李 晋.堆载引起桥梁墩台与基础的偏移及防治技术研究[J].中国公路学报，2004（3）：77-80.

[2]李 悄，孙宗磊，张 军，等.软土地区新建道路下穿既有高速铁路影响分析及对策[J].高速铁路技术，2013 （1） ：26-30.

[3]张 浩，石名磊，胡伍生，等.互通区跨线桥邻近路基墩柱偏移事故分析[J].东南大学学报（自然科学版），2013，43（3）：617-623.

[4]张 俭.新建道路下穿运营高速铁路桥梁的设计方案[J].中外公路，2014，34（2）：185-188.

[5]Springman.Modeling of soil-structure interaction for a piled bridge plane strain FEM analysis[J].Computers and geotechnics，2001（28）：79-98.

[6]李志伟.软土地基不对称堆载对桥梁偏位的影响及加固分析[J].公路，2016，61（8）：86-92.

[7]梁育玮，边学成，董 亮.侧方堆载作用下高架桥群桩基础变形分析[J].铁道建筑，2017，57（9）：5-12.

[8] JTG 3363-2019，公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[9] JTG3362 D62-2018，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

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