104国道连江至晋安段改线工程软基堆载对临近沈海高速公路桥梁桩基的影响分析

■史嵩松(福建省交通规划设计院，福州　350004)

104国道连江至晋安段改线工程软基堆载对临近沈海高速公路桥梁桩基的影响分析

■史嵩松
(福建省交通规划设计院，福州350004)

摘要本文采用有限元软件对104国道连江至晋安段改线工程填方路基(无桩基处理)段对并行沈海高速公路的影响进行计算，分析了堆载规模、堆载距离、软基参数等对桥梁桩基的影响。

关键词软基堆载桥梁桩基有限元分析

1　前言

福建省地处我国东南沿海，多冲洪积沟谷区、冲海积平原区地貌，下卧较厚的软弱土层。工程中常常由于在软基上随意堆载超载引起地面下沉，使相邻桥梁桩基产生水平偏位，从而引起桥梁结构功能失效甚至引发事故。因此，研究软土地基堆载下对邻近桥梁桩基的影响具有重要意义。本文在前人研究的基础上，采用Geo-studio有限元软件对104国道连江至晋安段改线工程填方路基(无桩基处理段落)对并行沈海高速公路的影响进行计算分析，为实际工程提供参考依据。

2　概述

2.1工程概况

新建104国道连江至晋安段改线工程K4+680～K15+019.05段落位于福州市连江县、马尾区境内。经过的主要乡镇有连江县瑖头镇、马尾区亭江镇。

本路段与沈海高速公路并行，长约10.3km，扣除桩基处理段落约1.7km，扣除桥梁段落，剩余路基段落约1.0km。根据《福建省公路路政管理条例》，高速公路两侧隔离栏外缘外30m范围内均为建筑控制区，104国道连江至晋安段改线工程K4+680～K15+019.05段落均在沈海高速公路建筑控制区域范围内。由于相距较近，该段落填方路基(无桩基处理段落)对并行沈海高速公路将产生较大的影响，为此本文进行了分析。

2.2场地地质

场区属于冲海积平原地貌，地形开阔，地势平坦，紧邻线路右侧为沈海高速公路。场区未见危害工程建设的活动性构造迹象，区域地质相对稳定。场地上部为粉质粘土，淤泥，淤泥质粘土等覆盖，其下为燕山期侵入花岗岩，见多层深厚的流塑状淤泥、淤泥质粘土软土层，软土层厚度大，分布广，可呈多层分布。

本路段地表为厚度1～2m不等的可塑状粘性土，其下一般为海积、冲洪积粘性土层和砂层透镜体，其中淤泥、淤泥质土层厚度8～35m不等，且含多层软土分布。受海积成因影响，软土层中常可见薄层含砂透镜体，其工程地质性质差，呈饱和状态，具有含水量大、高压缩性、低抗剪强度等特性，路堤填筑时将产生较大沉降及水平位移。

3　路基填方对并行沈海高速公路的影响分析

3.1工程设计参数

并行段路基段落(无桩基处理)设计情况见表1：

如表1所列，104国道连江至晋安段改线工程与沈海高速公路并行段部分段落距离较近，最近的地方距离沈海高速公路3m，为了确保既有沈海高速公路的运营安全，对104国道连江至晋安段改线工程路基(无桩基处理段落)对沈海高速公路并行段安全影响进行分析。

3.2计算模型和计算参数

一般来说，土体在长期堆载条件下，必然产生较大的侧向位移，临近桩基受到地基土侧向变形会挤压桩基，使桩产生挠曲、水平位移甚至剪切破坏，这对于桥梁上部结构是不利的。

针对本工程不同路基宽度高度以及地质各不相同的情况，本文采用Geo-studio有限元软件，分析沈海高速公路外侧路基处理及填土过程，分析沈海高速公路桥梁桩基的位移及受力，对沈海高速公路的桥梁桩基的安全进行评价。以K10+880处断面为例，如图1所示，计算范围130m宽，有限元模型计算网格边界约束条件采用左边界、右边界和底边界均采用固定约束。由于在模拟过程中考虑桥梁桩基本身尺寸对计算结果产生的影响，不能忽略其尺寸效应，故不采用梁单元，而采用网格单元。在路基和桥梁上分别施加20kPa的车辆荷载。

表1　104国道与沈海高速公路并行段路基

图1　计算模型

计算中，各土层和混凝土材料均采用线弹性模型，其物理力学参数见表2所示。

表2　各土层物理力学参数

图2　K6+220断面总位移云图(单位：m)

3.3有限元计算结果分析

按新建路基段落外侧桩基距离沈海高速公路桩基净距的不同与地质条件的不同，选取3个典型断面K6+ 220、K6+960和K11+660，分别代表进行分析。

3.3.1K6+220段

K6+220段路基右边缘距离桥梁约13m，路基宽度70m，其中左辅道宽14.2m，填土高度约1.6m；右辅道宽8m，填土高度约1.7m；主线为桥梁，宽44.6m，桥下有约1m的填土。软土较深，软土厚约36m。

计算结果如图2和图3所示，路基最大位移为18.8cm，方向竖直向下，桥梁桩身位移沿桩身方向从上到下呈先增大后减小的趋势，最大值出现在软土层约15m的深度处。桩身最大水平位移为3.58cm，最大竖向位移0.09cm，最大总位移约3.58cm，其位移变形满足桥梁要求。

图3　K6+220桥墩近侧桩基位移图(单位：m)

3.3.2K6+960段

K6+960段路基右边缘距离桥梁约9m，路基宽度60m，填土高度约2.1m。软土较深，软土厚约24～34m。

计算结果显示，路基最大位移为29.8cm，方向竖直向下，桥梁桩身位移沿桩身方向从上到下呈先增大后减小的趋势，最大值出现在软土层约8m的深度处。桩身最大水平位移为3.23cm，最大竖向位移0.12cm，最大总位移约3.23cm，其位移变形满足桥梁要求。

3.3.3K11+660段

K11+660段路基右边缘距离桥梁约3.5m，路基宽度60m，填土高度约2.8m。软土厚约4～5m。

计算结果显示，路基最大位移为15.8cm，方向竖直向下，桥梁桩身位移沿桩身方向从上到下呈先增大后减小的趋势，最大值出现在桥面板处。桩身最大水平位移为1.77cm，最大竖向位移0.07cm，最大总位移约1.77cm，其位移变形满足桥梁要求。

表3　典型断面桩基位移计算结果单位(cm)

3.4有限元计算结果比较

三个典型断面的计算结果如表3所示，K6+220断面处位移最大，达到3.58cm，K11+660断面处位移最小，为1.77cm。几种情况下的桩基位移均未对桥梁桩基产生显著影响。综上所述，104国道临近沈海高速公路的软土地基上的填土不高的路基段落未采用软基处理措施时，对既有高速公路桥梁的影响是比较小的，能满足桥梁的安全运营需要。

考虑到现场的施工水平、降雨等不确定因素的影响，建议加强对桥梁墩台的桩基沉降、水平位移和深层测斜位移的监测，确保施工期及运营期软土地区沈海高速公路桥梁的安全。

4　结论

本文通过三个典型断面的有限元模拟，分析了104国道改线工程软基堆载对沈海高速桥梁桩基的影响，分析表明，在路基填土高度变化不大的情况下，路基和桥梁的距离尽管在减小，但并没有对桩基水平位移表现出明显影响。另一方面，几个断面软土层不断加厚，其对桩基水平位移的计算结果影响明显。而本文分析亦表明，本工程对相邻桩基运营未构成危险，路基无需特殊处理即可满足临近桥梁安全运营需求，对工程方案提供了重要的参考依据，节省了工程造价，并可为类似工程提供参考。

参考文献

[1]陈福全.地面堆载作用下邻近桩基性态数值分析.同济大学博士后论文，上海:同济大学地下建筑与工程系,2003.

[2]杨敏,朱碧堂,陈福全.堆载引起某厂房坍塌事故的初步分析[J].岩土工程学报,2002,24(4): 446~450.