基于有限元的桩基施工对既有高速公路影响分析

2016-09-14张路锋

公路与汽运 2016年4期

关键词：路肩坡脚桩基

张路锋

（邢台路桥建设总公司，河北邢台 054001）

基于有限元的桩基施工对既有高速公路影响分析

张路锋

（邢台路桥建设总公司，河北邢台 054001）

近年来中国跨线立交桥高速发展，掌握桩基础施工对附近高速公路的影响具有重要意义。文中基于平面有限元，根据实际工程地质条件，对施工不同阶段进行过程模拟，推导出桩基础施工附近高速公路路堤及边坡、坡脚、路面位移变化的特征。结果显示，桩基础施工导致附近边坡产生潜在滑动面，坡脚附近土体产生扰动且稳定性下降，高速公路路面产生不均匀沉降。

桥梁；桩基；跨线桥；既有高速公路；边坡稳定性；有限元分析

随着经济的快速发展，为满足城市对交通的需要，发达地区基础设施建设迎来扩建、新建浪潮。新建、扩建结构的施工会通过对附近土体扰动影响邻近构造物的稳定性和安全性。在深厚软弱黏土地区，跨线桥桩基施工对既有高速公路的影响尤为显著。国内外关于新建桩基础对其附近既有公路路面及边坡影响的研究成果有：20世纪60年代，日本密集建设跨线桥，发现新建桩基础会对公路边坡的稳定性产生影响；周围土层的扰动程度还与桩的类型和成桩方法有关，管桩施工过程中土体中水平方向的最大位移发生在桩长的1/3～1/2深度处，而不是土层表面；钻孔灌注桩在穿透砂层时，为避免出现涌砂、塌孔等现象威胁周围已有建筑物，应及时采用泥浆护孔；挤土桩、PHC桩施工过程中的挤土效应十分明显，在试桩周围半径10m范围内土体有明显水平位移。该文利用Plaxis有限元分析软件模拟某高速公路跨线桥工程桩基施工全过程，研究分析施工过程对其下既有高速公路一侧土质边坡的影响，为跨线桥桩基施工提供建议和指导。

1　有限元建模分析

1.1模型理论概括

由于桩基承台和某高速公路是对称的，只建模模拟分析桩基施工对该高速公路左半幅的影响。桩基的几何尺寸及与某高速公路的相对位置见图1。

图1　桩基几何尺寸及与公路的对应位置

1.2工程概况及参数

施工路段场地土层结构较为复杂。根据工程地质钻探结果，地基场地的地层分布及相关物理力学参数见表1，其中地下平均水位为-1.2m。

根据工程地质条件，该工程桩基础施工采用钻孔灌注桩（C30水下砼），其施工参数见表2。由式（1）、式（2）得到的等效墙体计算参数见表3。

1.3有限元建模

依据Plaxis有限元建模分析，桩体和土体分别采用弹塑性材料、弹性材料模型；在计算周边界线范围时，水平和竖直方向的取值都为2倍桩体长度；在设定边界约束条件时，两侧在水平方向上设置约束，底边的边界约束条件设为固定。根据实际情况，顶、底部均为自由排水，左、右两侧均为不排水边界。取场地平均水位-1.2m为地下水位。

表1　地基土的主要物理力学指标

项目　参数值桩间距S/m　3.9桩长H/m　56单桩极限承载力Pp/kN　5680桩径Dp/m　1.5

表3　地下连续墙计算参数

分4步对施工过程进行建模模拟，获得跨线桥桩基施工前的应力状态及各施工桩号对既有高速公路的影响。步骤1：模拟被跨高速公路路堤的施工填筑过程，路堤的填筑土体采用表1中素填土的物理力学参数，根据实际施工工况，该过程持续时间为7d。为方便模拟，沥青碎石路面产生的荷载折算成行车荷载。步骤2：模拟路堤填筑后土体的固结稳定和高速公路建设完成过程，该过程持续时间为300d。步骤3：模拟工程场地周围土的固结和孔隙压力的变化过程，获取跨线桥桩基施工前土体的应力状态；并根据高速公路实际通车状况，获得施加于土体的行车荷载。根据实际通车时间，该过程持续时间为365d。步骤4：模拟跨线桥桩基础的施工过程，根据实际施工状况，每根桩的时间间隔取4d。

2　计算结果分析

按图1（b）所示方法进行桩基施工，1#、2#、3#桩与坡脚处的距离分别为4.0、7.9和11.8m。图2为桩基施工前和完成后路堤边坡总位移等值线图。

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图2　边坡总位移等值线图

设偏离道路中心水平方向的位移为正、竖直方向向上位移为正。如图2（a）所示，在稳定的交通荷载影响下，桩基施工之前坡脚处产生的偏离道路中心的水平位移程度较小，路堤产生竖向沉降程度也较小，而且路堤及边坡没有形成潜在的滑动面。如图2（b）所示，在桩体施工完成之后，边坡产生滑动面。既有高速公路路面上的开裂位置不在路肩边缘，而是距离路肩有一定长度；在原场地的开裂位置不是在既有高速公路的坡脚，而是位于坡脚和1#桩之间。从图2还可看出既有高速公路路面有褶皱和开裂的危险，并产生了不均匀沉降。

将图2（a）和（b）进行对比，可得出：路堤的不均匀竖向沉降幅度较大，并且在桩基施工后，坡脚处的位移由原本的偏离道路中心变成偏向中心。表明桩体的施工对既有路面及路堤的稳定性会有不良影响，且坡脚处产生了较为显著的挤土效应。

2.1桩体施工对坡脚产生的影响

桩基施工在既有高速公路坡脚处产生的水平方向位移及竖直方向位移见图3。

在图3可看出：对既有高速公路坡脚土体造成影响最大的是1#桩，水平位移及竖直位移为-8～-9mm；其次是2#桩，为-4～-7mm；3#桩造成的影响最小，为-2～-4mm。这与桩基与坡脚的距离有关，1#桩距离坡脚最近，约为4.0m；其次是2#桩；3#桩距离坡脚最远，为11.8m。

图3　桩基施工所引起的既有高速公路坡脚位移

2.2桩体施工对原场地产生的影响

钻孔灌注桩施工会对原场地的土体结构造成不良影响。施工完成后，地面的位移会随距1#桩水平方向距离的增加而产生相应变化（见图4）。

图4　桩基施工所引起的原场地地表位移

从图4可看出：原场地地表的水平方向位移会随着离1#桩距离的增加而逐渐增大，当距离为0.5 ～3.5m时位移增长较快，到3.5～4.0m时水平方向位移逐渐稳定至-22.5mm。原场地地表竖直方向位移会随着离1#桩距离的增加而逐渐减小，距离为0.5～3.5m时位移减速较快，到3.5～4.0m时竖直方向位移逐渐稳定至-14.5mm。

2.3桩体施工对路面的影响

图5　桩基施工所引起的路面位移

如图5所示，在桩基施工完成后，路面会随距路肩外边缘距离的变化而产生竖直位移和水平位移，竖直方向位移的最大值出现在距离路肩边缘1.92 m处，为-45.6mm，在距路肩边缘21.0m处渐渐稳定至-21.0mm；水平方向位移的最大值也出现在距离路肩边缘1.92m处，为-14.3mm，至距路肩外边缘21.0m处降为零。总体来说，随着距路肩边缘距离的增加，两个方向的位移都先增后减然后渐渐稳定。另外，从竖向位移来看，施工完成后路面产生了一定程度的不均匀沉降。