某高速公路路基拼宽桥梁方案研究

李 涛，张百永

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通节能与环保技术及装备交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

随着时代的发展，国内已建成各高速公路已经难以满足日益增长的交通流量需求。高速公路改扩建成为“十三五”期间高速建设的重点任务之一。以安徽省为例，通过基于高速公路服务水平的改扩容时机分析，滁新高速淮南至阜阳段、济广高速阜阳至周集段、京台高速合徐南段、宁洛高速界首至蚌埠段、沪陕高速大顾店至叶集段等高速公路均适合在近期改扩建。

我国城市化速度同样发展迅猛，原来修建的高速公路逐渐被城市“包围”，由原来的绕行式变成了穿越式。高速公路沿线设置有敏感点是普遍现象。一般高速公路通过单侧、双侧改扩建方案予以避让。

2011年颁布的《公路安全保护条例》对公路与危险品敏感点之间的距离提出了要求：除按照国家有关规定设立的为车辆补充燃料的场所、设施外，禁止在下列范围内设立生产、储存、销售易燃、易爆、剧毒、放射性等危险物品的场所、设施：

(1)公路用地外缘起向外100 m；

(2)公路渡口和中型以上公路桥梁周围200 m。

而前期修建的部分敏感点未能考虑高速公路改扩建需求，为扩建后的高速公路桥梁带来了安全隐患，而采用路基进行拼宽可以一定程度上减少这一安全隐患。目前研究大多针对于拼宽桥施工对既有桥梁的影响，而路基拼宽对既有桥梁影响方面的研究相对较少。

1 项目概况

本项目为宁洛高速明光至蚌埠段改扩建工程，老桥总宽28 m，双向四车道。上部结构主要采用主跨25 m预制装配式先简支后连续小箱梁，下部结构采用1.3 m柱式墩+1.5 m摩擦桩，钻孔灌注桩基础，墩高约12 m，桩长38 m。

原桥设计荷载为公路I级(《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004)，老桥现状良好。在勘测过程中发现某桥梁小桩号桥位处北侧约200 m位置建设有储油库。

由于桥位大桩号侧存在互通喇叭口，南侧加宽将造成工程规模大幅增加，为减少工程规模，拟在北侧拼宽原桥。

若采用桥梁拼宽，新建桥梁距离油库储油区距离仅150 m，不满足《公路安全保护条例》要求公路桥梁周围200 m禁止储存易燃易爆品的要求。故研究采用路基方式拼宽原桥结构，路基边缘距离储油区距离约140 m，满足公路用地外缘距离储存易燃易爆品处大于100 m的要求。

经地质勘察，项目地质情况如下：

表1 地基设计参数推荐值

2 拼宽方案

2.1 总体拼宽方案

本次高速改扩建设计为高速公路“四改八”改造，由于桥位处部分墩位填高较高，为减少对老桥现有桥梁结构的影响，同时减少占地，拟采用轻质土路基填筑拼宽部分。拼宽顶宽20.75 m，底宽26.75 m，总高度约14 m，分两阶段填筑，拼宽部分顶部拟距离原桥3 m。

由于拼宽部分路基高度较高，荷载较大，本研究重点是计算拼宽路基引起的地基变形对老桥原有下部结构的影响。目前采用MIDAS-GTS NX有限元模拟相关地质情况效果较好。

2.2 计算模型

(1)计算模拟

依据老桥实际地质与桥梁设计资料，以摩尔-库伦理论为基础，采用Midas-GTS NX 2018 R1土力学有限元分析软件，建立桥梁基础与土体的联合作用模型，模拟施工过程，分析路基拼宽施工对桥梁基础的安全影响。

(2)模型尺寸及本构关系

建立原位地基及桥梁下部结构三维有限元模型。桥墩尺寸为：墩柱为直径1.3 m圆形截面，墩高为11 m，柱间距7.1 m。桩基为直径1.5 m圆形截面，桩长为38 m，按摩擦桩设计。系梁宽2.6 m，高1.5 m。重点关注拼宽部分施工对墩柱、桩基的影响。

(3)材料参数

墩身采用C30混凝土，桩基础采用C25混凝土。拼宽部分轻质土路基重度为7 KN/m。车辆荷载按照《公路桥涵通用规范》(JTG D60—2015)选取。土层物理力学参数据地勘报告选取。土层由上至下分别为亚粘土层、粘土层、细砂层、亚粘土层、细砂层、中砂层。

(4)有限元模型建立

在整体计算模型中，对土体的前后、左右及下底面进行节点约束，上顶面为自由面。利用分层土的地质参数和土体计算模型尺寸建立分层土的有限元模型。如图2所示。土体采用摩尔-库伦本构类型，桥墩墩柱采用梁单元模拟，桥墩桩基采用“梁单元+桩界面+桩端”的形式来模拟。桩与土体的摩擦作用通过摩擦接触面(桩界面)来实现，桩底采用竖向弹簧支撑进行转角约束(桩端设定桩端承载力和弹簧刚度)。

(5)施工阶段划分

结合实际情况及具体施工过程将该模型划分为3个施工阶段，即施工阶段1-原地基自然沉降；施工阶段2-老桥下部结构施工及运营；施工阶段3-新建拼宽路基施工。

图1 新建拼宽路基MIDAS-GTSNX有限元模型

2.3 老桥桩基承载力计算

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)，结合老桥原地勘资料，验算地基提供土侧摩阻力4 816.3 KN，基底反力1 678.2 KN，共6 494 KN。原桥桩基竖向荷载(加桩基自重与置换土重的差值)为5 824 KN，单桩承载力富余670 KN。

2.4 有限元计算结果

在Midas-GTSNX中，计算各个施工阶段对墩身、桩基础和周围土体产生的位移和内力，比较路基拼宽前后的墩柱沉降、水平位移及桩底反力。

(1)既有桥梁工况

原桥施工工况有限元分析结果表明，原桥桩基础施工最大竖向位移5 mm，最大纵桥向位移1.5 cm，最大轴力6 503 KN(未扣除置换土重)。

(2)拼宽路基施工工况

图2 新建拼宽路基有限元分析结果云图

将原桥下部结构及引起的土体位移清零后，施加轻质土路基及车辆荷载，计算结果表明路基施工将引起土体沉降，对桩基产生负摩阻力及水平推力。路基拼宽后土体最大沉降约2.3 cm，柱顶最大沉降3.6 mm，横桥向位移4.6 mm。桩基础最大轴力8 102 KN，最大横桥向弯矩457 KN·m。由结果可见，横桥向弯矩相对较小可不予考虑，但比较路基拼宽前后桩基础最大轴力得出路基引起桩基负摩阻力为8 102-6 503=1 599 KN>670 KN。该方案原桥单桩承载力不满足规范要求。

2.5 方案优化分析结果

由有限元分析结果可见，拼宽将对原桥桩基产生较大影响。将拼宽位置距原桥桩基距离加大可有效减小该影响。经试算当拼宽路基距原桥边缘8.5 m时，路基拼宽后土体最大沉降约2.3 cm，柱顶最大沉降2.9 mm， 横桥向位移4 mm。桩基础最大轴力7 156 KN。比较路基拼宽前后桩基础最大轴力得出路基引起桩基负摩阻力为7 156-6 503=653 KN<670 KN，单桩承载力满足要求。采用轻质土路基拼宽老桥方案可行，但需增大拼宽段与原桥的距离以减少对原桥桩基的影响。

图3 优化方案后有限元分析结果云图

3 结 语

本文在实际高速公路路基拼宽桥梁工程基础上，通过对该段地基、老桥下部结构、拼宽路基建立实体有限元模型分析，得出。

(1)为减小路基拼宽对既有桥梁的影响，建议采用轻质土路基拼宽桥梁的方案。

(2)路基填筑引起的地基沉降产生的负摩阻力会对老桥桩基造成较大影响，影响程度和地质情况、拼宽路基与桥梁的距离等因素紧密相关。

(3)实际工程中，对于采用路基拼宽桥梁时，应结合地质情况采用有限元分析计算合理确定分离距离。