高速公路立交桥下穿道路对桥墩桩基的影响分析

2021-05-27张秀成陈德贵王昌军曾兴贵

莆田学院学报 2021年2期

张秀成，陈德贵，王昌军，曾兴贵

(1.莆田学院土木工程学院，福建莆田 351100；2.福建巨岸建设工程有限公司，福建莆田 351100；3.亿耀(福建)建设有限公司，福建莆田 351100)

0 引言

在我国很多城市，由于城区不断向外围扩大，城市道路与高速公路的交叉越来越多，特别是城市道路直接在高速公路立交桥下通过，可以节约城市道路穿越高速公路的工程投资。下穿道路在建设过程中，需要将路堤加高加宽，这样的路堤施工等程序将引起原路基软土发生挤压，甚至产生侧向变形，随着时间的延长，路基软土的挤压或侧向变形越来越严重[1-3]。这种不利影响将会波及路基两侧的立交桥桥墩桩基的稳定，可能造成桥墩桩基沉降过大、不均匀沉降、倾斜和结构损伤，给既有立交桥带来一定的安全隐患，甚至倒塌的危险[4-5]。所以，在高速公路立交桥下新建城市道路时，对立交桥桥墩桩基进行安全性评估及影响分析是非常必要的。

1 工程概况

莆田市滨江北路项目位于莆田市城厢区，红线宽度为24 m，双向四车道，属于城市次干路，设计车速为30 km/h，设计汽车荷载为城-A级。根据规划线形，滨江北路在K0+730处从沈海高速公路莆田西互通立交桥第4联第3孔穿过，第4联上部结构为现浇连续箱梁，下部结构为桩柱式桥墩，桩基为嵌岩灌注桩。下穿处梁底标高为23.15 m，而下穿道路设计标高为14.52 m，高差为8.63 m，满足净高4.5 m的设计要求。根据设计标高，下穿道路在桥下需填高4.98m。下穿道路机动车道为单幅，14.0 m宽，双侧各设置5.0 m人行道，道路中心偏向13#桥墩，如图1所示。

图1 道路横断面布置示意图(单位：m)

2 下穿道路对既有桥梁桩基的影响分析

2.1 影响因素

滨江北路下穿高速公路莆田西互通立交桥，下穿道路路基填土及道路荷载对下穿处桥墩桩基的内力与变形均会产生影响，因此在项目实施前有必要评估下穿道路施工和运营对既有桥墩桩基的影响，确保既有桥梁的安全。下穿道路对立交桥桥墩桩基的影响主要涉及桥墩竖向作用力、桥墩水平作用力和桥墩位移变形3个方面。

2.2 荷载计算

滨江北路修建过程中和修建完成后，作用在桥墩桩基上的荷载，除了考虑修建之前的各种荷载外，还须考虑下穿道路路基自重力、路基填筑引起的负摩阻力以及道路路面汽车荷载等。下面从桥墩竖向作用力、桥墩水平作用力、下穿道路路面荷载、单桩负摩阻力和压实填土产生的水平压力强度等5个方面介绍作用在桩基上的各种荷载。

(1)桥墩竖向作用力。下穿道路在立交桥第4联第3孔穿过，即从13#桥墩和14#桥墩中间穿过。第4联全长(31.0+32.1+31.0)m。作用在桥墩上的竖向作用力主要是由上部结构自重和汽车荷载产生的。为了准确计算桥墩在自重荷载和车辆荷载下所受的竖向作用力，运用Madis Civil进行建模及计算，计算结果见图2。

根据图2可知，立交桥13#桥墩、14#桥墩承受竖向作用力分别为5 622.9 kN、2 762.3 kN，13#桥墩和14#桥墩均由两根墩柱共同受力，所以13#桥墩、14#桥墩单根墩柱所受竖向作用力分别为2 811.45 kN、1 381.15 kN。

图2 13#桥墩、14#桥墩竖向作用力计算结果(单位：k N)

(2)桥墩水平作用力。作用在桥墩上的水平作用力主要是由汽车荷载制动力产生，根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)相关规定[6]，13#桥墩单根墩柱的水平作用力f13#=301.0/2=150.5 kN，14#桥墩单根墩柱的水平作用力f14#=90.4/2=45.2kN。

(3)下穿道路路面荷载。下穿道路正常通车后，路面车辆重力将会对路基填土产生竖向压力，土体将会产生一定的侧向变形，考虑到下穿道路长期运营对桥梁结构位移影响，须计算下穿道路正常通车时的车辆荷载，根据《城市道路工程设计规范》(CJJ37—2012)荷载标准相关规定:道路路面结构设计应以双轮组单轴载100 kN为标准轴载[7]。

(4)单桩负摩阻力。在桥墩墩柱周围的地表面有大面积堆载时，由于土的自重作用，使桥墩墩柱侧向土压密固结引起地面沉降，对桥墩墩柱产生负摩阻力，该负摩阻力也是施加在桥墩墩柱上的外荷载，增大了桥墩墩柱承受的竖向作用力。根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)相关规定[8]，立交桥13#墩、14#墩的单根墩柱负摩阻力均为:Qn=2 132.56 kN。

(5)压实填土产生的水平压力强度。在单侧路基填土的重力影响下，土体会发生一定的侧向变形，从而增加桥墩所受的水平作用力。压实填土产生的水平压力强度，可根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)[6]来计算，填土4.98 m高，得到13#桥墩、14#桥墩单根墩柱的水平压力强度:qH=62.7 kPa。

3 桩基内力与变形分析

根据上述荷载计算结果，13#桥墩所受荷载大于14#桥墩，因此选取13#桥墩作为研究对象，最不利情况是单侧堆载。建立13#桥墩单侧单根墩柱堆载模型(如图3所示)，将计算得到的荷载，通过相应命令流加载到FLAC 3D模型中，模拟计算下穿道路填土及道路荷载对13#桥墩桩基的竖向承载力、内力和变形大小的影响[9-10]。

图3 13#桥墩单根墩柱单侧堆载计算模型图

3.1 计算工况

计算分3种工况，工况1:道路施工前由桥梁及桥墩基础自重及桥梁结构上部车辆传递下来的荷载，计算桥墩桩基未受下穿道路影响的自身位移；工况2:道路施工中由填土引起的位移，分析在施工过程中桥梁基础及结构的安全性；工况3:道路施工完成后，在路面标准汽车荷载作用下桥墩桩基的沉降位移，分析道路长期运营对桥墩桩基安全的影响。利用FLAC 3D计算得到不同工况下13#桥墩单根墩柱对应荷载值，如表1所示。

3.2 单根墩柱竖向承载力分析

因为工况3对应的竖向荷载最大，包括桥墩支座反力、道路路面荷载和填筑路基产生的负摩阻力及土体重力，其基底竖向应力最大，因此验证地基承载力是否满足要求只需验证工况3对应的桩底应力是否满足即可。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG 3363—2019)[11]规定，桥下桩基基底地质为弱风化凝灰熔岩，修正后的地基承载力容许值取800 kPa。工况3对应荷载作用下13#桥墩单根墩柱桩基基底应力如图4所示。由图4知，13#桥墩单根墩柱桩基基底应力f1=600kPa＜800 kPa，因此单侧堆载下桥墩单根墩柱桩基基底承载力满足规范要求。

图4 13#桥墩单侧堆载单根墩柱桩基基底应力图

3.3 路基堆载对桥墩单根墩柱桩基及土体变形的影响分析

3.3.1 工况1

图5 工况1桩基水平位移图

图6 工况1桩基竖向位移图

工况1考查桥墩桩基未受下穿道路影响的自身位移，计算结果如图5～图8所示。水平位移基本为0.0 mm，竖向位移最大值在0.4 mm左右。土体水平位移较大区域集中在砂岩层，水平位移为1.0 mm，竖向位移在1.7 mm左右。

图7 工况1桩基桩-土水平位移图

图8 工况1桩基桩-土竖向位移图

3.3.2 工况2

工况2考查在施工过程中桥墩桩基的位移，计算结果如图9～图12所示。填土区水平位移和竖向位移较大，水平位移值在4.0～8.0 mm，竖向位移在4.0 mm左右。

图9 工况2桩基水平位移图

图10 工况2桩基竖向位移图

3.3.3 工况3

图11 工况2桩基桩-土水平位移图

图12 工况2桩基桩-土竖向位移图

工况3考查道路长期运营对桥梁结构位移的影响。计算结果如图13～图16所示。堆载作用区域下土层以土体沉降为主，图16中路基填土底部区域土体沉降较大，达87.0 cm；在堆载区域外，侧向位移占主导，图14中亚粘土区域填土层最大水平位移1.14 m，但对桩基的影响较小，其对应区域的桩基水平位移不足1.0 mm。

图13 工况3桩基水平位移图

图14 工况3桩基竖向位移图

3.3.4 变形分析

图15 工况3桩基桩-土水平位移图

图16 工况3桩基桩-土竖向位移图

(1)单侧堆载作用下13#桥墩单根墩柱桩基沿桩身长度变化的横向变形(即水平位移)如图17所示，由于工况1并未加载水平力，因此其水平位移值较小，近似为0；工况2有水平力，桩基沿水平力方向发生小变形，其水平位移最大值出现在桩底，为0.10 mm；工况3的水平变形趋势与工况2类似，其水平位移最大值出现在桩底，其值为0.15 mm，因此立交桥13#桥墩单根墩柱桩基单侧堆载水平位移满足要求。

图17 桩基水平位移图

(2)根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG 3363—2019)BFQ[11]相关规定，墩台均匀总沉降值不应大于20L，20L=111.30 mm。单侧堆载作用下桩基沿桩身长度变化的竖向变形(即竖向位移)如图18所示，3种工况下竖向位移微小，最大值分别为0.42、0.52、0.53 mm，远小于规范值，因此13#桥墩单根墩柱桩基单侧堆载竖向位移满足要求。

图18 桩基竖向位移图

3.4 路基堆载作用下桩基应力分析

桩身材料按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[12]等规范，据此计算钢筋混凝土桩桩基竖向承载容许应力F=11.70 MPa。如图19～图21所示，工况1、工况2、工况3下桩基竖向最大应力分别为2.48、2.48、2.49 MPa，均小于11.70 MPa，因此，13#墩桩基竖向应力满足要求。