桩基础和隔离桩在控制路堤对桥基影响中的应用研究

张中行，高 林，吴龙生，杜 杰

(1.中国电建集团 海南电力设计研究院有限公司，海南 海口 570100；2.东南大学 土木工程学院， 江苏 南京 210096)

后期新建路堤产生的荷载会对既有桥梁基础(多数是桩基础)产生不利的影响，如造成桩身挠曲甚至断裂、不均匀沉降、桥台倾斜等，因此必须采取必要措施来控制这一影响。

已有研究中，大多基于工程背景采用数值模拟的方法来研究。刘静等[1]和朱彬等[2]分别结合工程背景建立数值模型研究了地铁隧道对既有桥梁基础的影响。岳齐贤等[3]采用数值模拟的方法研究了沉井施工对既有桥基的影响。周勇等[4]利用PLAXIS 3D软件建立三维模型分析了地铁施工对临近桩基的影响。此外，隧道开挖对既有桩基的影响方面已有不少研究[5-8]，也有涉及基坑施工对既有桩基影响的研究[9-10]。在路堤填筑方面，郑健龙等[11]通过数值模拟研究了软土地基条件下桥头路基填筑对桥台桩的影响。上述研究中多以影响分析为主，且多数是关于隧道和基坑开挖对既有桩基础的影响分析。

关于影响控制措施方面，宋春雨等[12]以哈尔滨市松花江北岸滨江大道工程穿越松花江跨江大桥为研究对象，基于垂向二维有限元模型及现场监测，研究了土工格栅加筋、钻孔灌注桩隔离及注浆处理等综合措施的可行性。但平面模型存在一定的局限性，较难反映控制措施的实际应用效果。郑明新等[13]通过理论分析了设置竖向排水体、改变桥头位置来减小路堤的填筑高度、桩式复合地基以控制路堤填筑荷载对软基桥台桩基的影响。冯胜洋等[14]则通过数值模拟分析了竖向排水体在控制路堤填筑荷载对软基桥台桩基的影响上的作用。两者的研究针对软基桥台桩基，并不适用一般土体中的桥基，且采用的措施较为单一。

因此，关于新建路堤对既有桥基的影响控制措施分析仍有很大必要性，如何更好地优化控制措施以及不同控制措施之间效果的对比值得进一步研究。本文以苏通大桥为工程背景，通过数值模拟研究路堤下设置桩基础以及路堤边缘设置隔离桩对桥基影响的控制效果，分析不同设计参数的影响，并对比分析两种措施的控制效果。

1 模型建立与工况设定

1.1 工程背景

苏通大桥位于江苏省南通市与苏州市之间，全长32.4 km，其中跨江部分长8 146 m。后因规划需要，需建设路堤从苏通大桥北引桥的46#和47#桥墩中间穿过，拟建路堤宽为9.6 m，位于两桥墩之间的中心位置，其中心线距两侧桥基中心线的距离为37.5 m。路堤构造为：路堤上部主要由承台构成，承台内部含有路堤填土，填土顶部盖有路面板；承台底部由三排灌注桩所支撑，桩底标高为-30 m，中心排桩桩身直径为1 m，桩间距为2.5 m，两侧排桩桩身直径为1 m，距路堤中心4 m，桩间距为1.1 m。46#和47#桥墩下各自有两个群桩，沿桥轴线对称布置，群桩承台外缘间距6.4 m，群桩的基桩布置如图1所示，承台尺寸均为12 m×11 m×3 m，桩径为1.8 m，桩顶标高为-2.00 m，桩底标高为-92.00 m。

土层分布及物理力学指标如表1所示，其中弹性模量是根据压缩模量的三倍取得[15]。

图1 桥基设计图(俯视图)(单位：mm)

1.2 模拟方法

采用PLAXIS 3D软件建立三维模型，土体采用Mohr-Coulomb屈服准则的理想弹塑性模型，各土层的设置参数见表1，这种本构模型在岩土数值模拟中十分常见，能够较好地模拟土体的受力变形特征。桩基础采用Embedded桩来模拟，桩与土之间的界面行为采用弹-塑性模型来描述，采用这种桩土接触模型能够较方便地读出桩身轴力及桩土摩擦力，且计算简便。桩与承台为混凝土材料，其弹性模量取30 GPa，泊松比为0.2，重度为25 kN/m3。路堤高6 m，填土重度20 kN/m3。考虑对称性，取四分之一模型建模，通过试建模型可知，取平面尺寸为100 m×100 m，深度方向取120 m时，模型各侧面的法向位移及底面的各向位移接近0，则此时可约束四个侧面边界的法向位移，完全约束底面，顶面则自由无约束，模型如图2所示。

1.3 工况设置

为分析控制措施的效果，首先分析无控制措施工况下新建路堤对既有桥基的影响；然后考虑不同的桩长和桩间距，模拟研究路堤下设置3排桩基础的控制效果；再考虑不同的桩长、桩间距和距离路堤边缘距离，模拟研究路堤边缘设置1排隔离桩的控制效果；最后对比分析两种措施的控制效果。工况中桩长的变化是结合土层的变化设定的，即桩端持力层的选择；桩间距的选择是结合承台下各基桩的受力特性(边桩受力大、中间桩受力小)和常用桩距而定。具体工况如表2和表3所示。

表2 路堤下桩基础的工况设置

表3 路堤边缘隔离桩的工况设置

2 计算结果与分析

对于桩基水平位移，取远离路堤方向为正，靠近路堤方向为负；对于桩基竖向位移，规定位移方向向下为正，因此桩基沉降全为正值；对于桩基轴力，规定压力为正，拉力为负。计算结果显示，路堤荷载作用下8根桥梁基桩的变形和内力变化规律相同，仅数值上有差异，为节省篇幅，本文选取受影响最大的基桩作为分析对象。

2.1 路堤下设置桩基的控制效果研究

图3是路堤下不同桩长对桥基水平位移的影响曲线，从图3中可以看出，路堤下设置桩基后，桥台桩基水平位移得到了明显的控制，且随着桩长的增加，桥台桩基水平位移不断降低，特别是当桩长达到60 m时，正负方向水平位移均有大幅下降，最大水平位移比路堤下无桩基时降低了约40%。路堤下无桩工况下桥基最大水平位移发生在标高-36 m左右处，方向远离路堤方向，设置隔离桩后桥基最大水平位移发生在桩顶位置，方向偏向路堤一侧。

与桥台桩基水平位移的变化规律相似，图4中呈现的桥台桩基竖向沉降变化规律显示，路堤下设置桩基后，桥基竖向沉降得到控制，路堤下基桩桩长越长，桥台桩基沉降越小，当桩长达到60 m时桥基沉降控制效果最好，相比路堤下无桩基的工况竖向沉降从6.5 mm减小到4.2 mm，降低了35.4%。

之所以出现桩长达到60 m时，控制效果显著提升，其原因是地基土中存在一相对软弱土层，即4-2亚黏土层(标高-32.34 m～-58.84 m)。图5是不同桩长时土体的侧向变形云图，可以发现，虽然随着桩的设置及桩长的增大，土体侧向变形不断减小，但当桩底标高未超过-60 m时(桩基未穿过4-2层)，由于第四层土强度指标低、弹性模量小，土体的最大侧向变形集中在4-2层，桩基无法将路堤荷载对土体的影响传递至更深的土层，进而侧向挤压桥基。当桩底标高达-60 m时，桩端已穿越4-2层，此时持力层为工程性质较好的5-2-1层，土体变形主要是桩端开始近似呈45°角向斜下方扩散，桩基将路堤荷载对土体的影响传递至更深的土层，从而显著降低了路堤对邻近桥基的影响。桥基竖向沉降随桩长的变化规律，其原理与水平变形的原理是一致的。

桥基桩身弯矩随桩长的变化如图6所示，从图6中可以看出，当桩长只有30 m或40 m时，路堤下设置桩基对桥基桩身的弯矩并无明显改善效果，甚至在局部位置还略有增大，但当桩长为50 m和60 m时，桥基桩身最大弯矩明显减小，且桩长越长桥基桩身大弯矩越小。相比于无桩工况，路堤下桩长为60 m时桩身最大弯矩降低了约16%。

图7是桩身轴力随桩长的变化曲线，从图7中可以看出，除桩长为60 m的工况外，其余工况下桥基桩身都出现了负摩阻力，且桩长为30 m～50 m之间时，桩身最大轴力比路堤下无桩时更大。只有路堤下桩基的桩长达到60 m时，桩身才无负摩阻力，桩身轴力明显减小。

2.2 路堤边缘设置隔离桩的控制效果研究

2.2.1 隔离桩桩长的不同对邻近桥基的影响

在路堤两侧各设置1排隔离桩，隔离桩距路堤边缘1 m，桩间距2 m，考虑桩长分别为30 m、40 m、50 m和60 m四种工况。

不同隔离桩桩长下桥梁桩基水平位移变化曲线如图8和图9所示，从图中可以看出，与路堤下设置桩基的规律一致，设置隔离桩后，随着隔离桩桩长增加，桩基最大水平位移不断降低。当桩长为60 m时，对桥基水平位移的控制效果显著增强，相比于无隔离桩工况最大水平位移降低了55.3%。桥梁桩基的竖向沉降方面也是一样，设置隔离桩可显著降低桥梁桩基的竖向沉降，并且隔离桩越长，对桥基竖向沉降的调控作用越有效，隔离桩桩长为60 m时桥基竖向沉降比无隔离桩工况降低了34.2%。隔离桩桩长为60 m时控制效果明显提升的原因与2.1节中描述的相同。

不同隔离桩桩长下桥基桩身弯矩和轴力变化曲线分别如图10和图11所示。从图10中可以看出，当隔离桩桩长为30 m和40 m时，无法对桩身弯矩起到控制作用，甚至在桩长为40 m时，桩身弯矩反而增大了，这是因为桩长不够长时，基桩将路堤荷载更多地传递到靠近相对软弱层，而正向最大弯矩就是发生在土层1-3和4-2的交界面处。当隔离桩桩长达到60 m时，可有效降低桩身最大弯矩。与无隔离桩工况相比，设置60 m长的隔离桩后桥基桩身最大弯矩降低了13.8%。从图11中可以看出，当隔离桩桩长在50 m范围内时，桥基桩身在深度40 m左右都出现了负摩阻力，只有当桩长达到60 m时，负摩阻力才消失，即桩身轴力明显减小。这是因为隔离桩未穿越4-2层土时，由于隔离桩的设置反而把路堤荷载更多地传递到4-2层土中，这样4-2层土的自身压缩量比桩身下沉量反而更大，因此产生负摩阻力。

2.2.2 隔离桩距路堤边缘对邻近桥基的影响

将长为60 m的隔离桩分别设置在距路堤边缘为1 m、5 m和20 m的位置处，分析桥基的变形和内力变化规律。桥基桩身水平位移和竖向沉降变化如图12和图13所示，从图中可以看出，随着隔离桩距路堤边缘的距离增大，桥基桩身的最大水平位移和竖向沉降都随之增大，特别是隔离桩距路堤边缘5 m增大到20 m时，桥基桩身位移和沉降都显著增大。

桥基桩身弯矩和轴力的变化曲线如图14和图15所示，从图中可以看出，隔离桩与路堤边缘距离从1 m增大到5 m的工况下，桥基桩身弯矩和轴力略有增大，但当距离增大到20 m时，桥基桩身内力有明显的增大。因此，不论从变形还是内力的角度而言，隔离桩都应尽可能设置在路堤边缘处。

2.3 两种控制措施的效果对比分析

为保证可比性，选择两种控制措施桩长皆为60 m，隔离桩距路堤边缘1 m的工况。在桥基水平位移控制方面，相比于无控制措施工况下的最大水平位移降低约55%，而路堤下设置桩基础工况下的最大水平位移降低了约40%，显然隔离桩的控制效果更好。在桥基竖向沉降控制方面，路堤下设置桩基础工况下的竖向沉降比无控制措施工况降低了35.4%，设置隔离桩时降低幅度为34.2%，两者的控制效果相差很小。桥基桩身弯矩方面，路堤下设置桩基础比无控制措施降低了15.7%，设置隔离桩时降低幅度为13.8%，两者的控制效果相差不大。轴力控制方面，两种控制措施下桥基桩身最大轴力相差极小，可忽略不计。

3 结 论

(1) 路堤下设置桩基础和路堤边缘设置隔离桩都可以减小因路堤穿越对桥基的影响，且桩长越长，控制效果越好，隔离桩应设置在路堤边缘。当地基土中存在软弱土层时，桩基础宜穿越软弱土层落在较好的土层之中，这样会明显提高控制效果。

(2) 本文设置工况下，设置隔离桩在桥基水平位移控制方面效果更好，但在竖向沉降和桩身内力方面控制效果略差。如果不考虑桩基对路堤沉降的控制因素，设置隔离桩更为合理。