地基加固施工對(duì)既有高架橋影響分析

黃偉江

（廣東中煤江南工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司 廣州510425）

0 引言

某城際高速路采用高架橋形式跨越市政道路，該高速路為城際交通主干線，交通量非常大。由于近年來城市快速發(fā)展，交通量急速增大，根據(jù)城市交通規(guī)劃，需對(duì)高架橋下市政道路進(jìn)行擴(kuò)改以滿足城市交通需要。高架橋下市政道路路基以下存在深厚的填土、淤泥等軟弱土層，承載力不滿足要求。經(jīng)過大量的工程實(shí)踐表明，采用旋噴樁能有效加固地基基礎(chǔ)，大幅提高地基承載能力，加固后能有效控制基礎(chǔ)沉降，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等特點(diǎn)［1-3］，因此采用高壓旋噴樁對(duì)路基以下軟弱土層進(jìn)行加固，提高承載力。

高壓旋噴樁適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、人工填土等地基，具有重量輕、滲透系數(shù)小、固結(jié)體強(qiáng)度高、具有較好的耐久性、單樁承載力高等特點(diǎn)［4，5］，可以大幅提高地基承載力。但是在軟土中進(jìn)行旋噴樁施工和路基開挖，不可避免地會(huì)對(duì)高架橋樁基礎(chǔ)周圍的土體產(chǎn)生施工擾動(dòng)，使樁基礎(chǔ)周圍土體出現(xiàn)卸載或加載等復(fù)雜的力學(xué)行為，土體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)將會(huì)發(fā)生改變，引起樁基礎(chǔ)周圍土體的變形，產(chǎn)生土體移動(dòng)，進(jìn)而影響橋下樁基礎(chǔ)承載力，嚴(yán)重時(shí)可能引起橋體破壞或影響其使用功能，因此必須對(duì)市政道路擴(kuò)改工程施工過程中對(duì)既有高架橋梁的影響進(jìn)行分析。

1 工程概況

1.1 新擴(kuò)建市政道路下穿高架橋情況

新擴(kuò)建市政道路下穿高架橋段設(shè)計(jì)分三跨穿過，于2019 年3 月施工：

⑴ 南側(cè)人行道（6 m）及南側(cè)2 車道（8 m），從高架橋15#～16#墩之間通過；

⑵ 中間雙向4 車道含中央分隔護(hù)欄寬16.6 m，從高架橋14#～15#墩之間通過；

⑶ 北側(cè)人行道（6 m）及北側(cè)2 車道（8 m），從高架橋13#～14#墩之間穿過。

路基以下軟弱土層加固采用φ600@2 000 旋噴樁加固，水泥用量為60 kg/m（施工時(shí)根據(jù)配比試驗(yàn)確定），樁身強(qiáng)度不小于2.0 MPa（28 d），復(fù)合地基容許承載力為120 MPa。旋噴樁施工前，需先整平場(chǎng)地，先鋪30 cm 碎石墊層，再進(jìn)行旋噴樁施工。達(dá)到28 d 齡期且檢測(cè)合格后，再鋪一層土工格柵及30 cm 碎石墊層。

1.2 既有高架橋情況

橋梁結(jié)構(gòu)為空心板梁板，跨徑為20 m，現(xiàn)狀同行凈空為4.8 m。市政道路下穿段13#～16#樁基由上下兩部分組成，下部樁基為直徑1.5 m 深入到持力層微風(fēng)化粉砂巖，樁長(zhǎng)為35 m，樁基上部直徑為1.3 m，樁長(zhǎng)為3.6 m；樁基上部與下部交界面橫向由連系梁相連，連系梁截面為1.0 m×1.2 m 的矩形，樁基上部為橋墩。

1.3 地質(zhì)情況

市政道路下穿段地質(zhì)情況如下：

⑴ ①人工填土層，呈松散狀，屬欠固結(jié)土，強(qiáng)度低，工程性質(zhì)差。

⑵ ②2淤泥、淤泥質(zhì)土，呈軟～流塑狀，屬高壓縮性土、高含水量、高孔隙比及低強(qiáng)度、低壓縮模量、低滲透性的軟土，工程性質(zhì)極差，在垂直荷載作用下易產(chǎn)生固結(jié)引起地面沉降；

⑶ ③3亞粘土，呈可塑狀，屬中等壓縮性土，具一定的承載力，工程性質(zhì)較好。

2 力學(xué)影響分析及評(píng)估結(jié)果

2.1 材料物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)本項(xiàng)目勘察報(bào)告結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，模型土層及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)取值如表1 所示。

表1 土層及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanics Parameters of Soil Layer and Structure

2.2 三維有限元模型及邊界條件

本次三維數(shù)值模擬采用Midas GTS NX 通用有限元軟件。本項(xiàng)目高壓旋噴樁平均深度為8.5 m，建立模型尺寸為 100 m（X）×60 m（Y）×60 m（Z）（X 為縱橋方向，Y 為橫橋方向，Z 為豎直方向）。

填土層、淤泥層、亞粘土層采用實(shí)體單元建模，本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性摩爾-庫倫，全風(fēng)化砂巖、微風(fēng)化砂巖、高壓旋噴樁、橋梁結(jié)構(gòu)本構(gòu)關(guān)系為線彈性。模型邊界條件為：左右前后邊界為法向上的平動(dòng)約束，模型上表面為自由邊界面，底面為固定約束。三維模型如圖1、圖2 所示。

圖1 整體模型Fig.1 Overall Model

圖2 高壓旋噴樁與橋梁結(jié)構(gòu)空間位置關(guān)系Fig.2 Spatial Position Relation between Chemical Churning Pile and Bridge Structure

2.3 分析工況

施工階段1～5 分別為初始地應(yīng)力分析、開挖土體、施工高壓旋噴樁、施工路基路面、運(yùn)營(yíng)期。

2.4 分析結(jié)果

2.4.1 方向定義

X 為縱橋向；Y為橫橋向；Z為豎橋向；應(yīng)力拉為正，壓為負(fù)；位移正數(shù)為相應(yīng)坐標(biāo)相同方向，負(fù)數(shù)為相應(yīng)坐標(biāo)相反反向。

2.4.2 位移結(jié)果

⑴ 豎向位移（見圖3a）

⑵ 縱橋向位移（見圖3b）

⑶ 橫橋向位移（見圖3c）

圖3 道路運(yùn)營(yíng)期橋梁豎向位移Fig.3 Displacement of Bridges in Road Operation Period

2.4.3 應(yīng)力結(jié)果（見圖4）

圖4 橋梁豎向應(yīng)力Fig.4 Vertical Stress of Bridge

2.4.4 分析結(jié)果總結(jié)

在施工階段，本項(xiàng)目施工過程對(duì)既有橋梁橋墩產(chǎn)生位移影響為：豎向位移為-4.2～+3.5 mm，縱向位移為-0.32～+0.41 mm，橫向位移為-2.1～+2.1 mm。

從施工過程應(yīng)力豎向應(yīng)力云圖分布規(guī)律可以看出，本項(xiàng)目施工過程對(duì)既有橋梁橋樁基產(chǎn)生了最大豎橋向應(yīng)力約為-1.3 MPa（壓應(yīng)力）。

2.5 安全性評(píng)價(jià)

2.5.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)樁在未進(jìn)行本項(xiàng)目施工時(shí)的原受力情況，疊加本次的新增的應(yīng)力，再與樁的極限承載能力進(jìn)行對(duì)比。

2.5.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

本項(xiàng)目施工過程對(duì)既有橋梁橋樁基產(chǎn)生了最大豎橋向應(yīng)力約為-1.3 MPa，新增的是壓應(yīng)力，該應(yīng)力完全在既有橋梁樁基的富余包絡(luò)范圍內(nèi)，因此不會(huì)對(duì)樁基產(chǎn)生不利影響。因此，在正常施工情況下，本項(xiàng)目施工過程不會(huì)引起既有橋梁橋樁基安全性問題。

2.6 功能性評(píng)價(jià)

2.6.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

公路相關(guān)規(guī)范中，沒有專門針對(duì)地鐵下穿公路橋梁時(shí)橋梁容許變形的條文規(guī)定，需要參考各規(guī)范中相關(guān)的內(nèi)容，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定。

考慮到該城際高速公路的重要性，參照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG D63-2007》［6］的規(guī)定，高壓旋噴樁施工對(duì)橋梁的影響按如下標(biāo)準(zhǔn)作為安全控制標(biāo)準(zhǔn)：

⑴ 縱向相鄰墩臺(tái)不均勻沉降差：不應(yīng)使橋面形成大于0.2%的附加縱坡，13#與14#跨、14#與15#跨、15#與16#跨沉降差均≤50 mm，單個(gè)沉降≤100 mm（跨度均為20 m，按照25 m 計(jì)算）；

⑵ 橫向橋梁墩臺(tái)間不均勻沉降差值，應(yīng)滿足之上蓋梁的受力要求，一般不大于5 mm；

⑶ 土體側(cè)向變形引起橋梁樁基的側(cè)向變形，同時(shí)使樁基內(nèi)力發(fā)生變化，該變化應(yīng)滿足樁基受力要求。

2.6.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

綜合以上分析結(jié)果，統(tǒng)計(jì)各施工階段橋梁結(jié)構(gòu)體系變形情況（見表2），豎向位移以橋臺(tái)中心位置結(jié)果為基準(zhǔn)。

表2 橋梁結(jié)構(gòu)豎向位移統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of Vertical Displacement of Bridge Structures （mm）

由表2 可以看出，在各施工階段下，橋梁結(jié)構(gòu)的位移（橋墩中心點(diǎn)）最大值為3.50 mm，最小值為-4.16 mm，均遠(yuǎn)小于單個(gè)橋樁豎向變形標(biāo)準(zhǔn)100 mm。

由表3 可以看出13#～16#橋臺(tái)橫向位移差最大值為0.04 mm，最小值為0.01 mm，均小于控制限值5 mm；橋臺(tái)縱向位移的最大差值為2.58 mm，最小縱向位移差值為2.57 mm，均小于控制標(biāo)準(zhǔn)限值50 mm。

表3 相鄰橋墩沉降差Tab.3 Difference of Displacement of Adjacent Piers（mm）

2.7 綜合評(píng)價(jià)

綜合以上分析，在長(zhǎng)江路施工的全過程中，嚴(yán)格按照施工方案進(jìn)行施工，在正常施工情況下，市政道路施工過程不會(huì)引起既有高架橋梁樁基功能性及安全性問題，高架橋可正常、安全運(yùn)營(yíng)。

3 高架橋橋墩極限狀態(tài)分析

3.1 計(jì)算說明

利用橋梁工程專用軟件Midas/Civil 建立上跨橋梁橋墩的梁?jiǎn)卧Ｐ停瑯恫捎猛翉椈蛇M(jìn)行約束，考慮橋墩的永久作用效應(yīng)及其余可變作用效應(yīng)，對(duì)橋梁在特殊工況下的承載力極限狀態(tài)進(jìn)行分析，獲得橋墩承載力極限狀態(tài)的臨界值。

3.2 未考慮樁基位移情況下樁基抗彎承載力計(jì)算

3.2.1 計(jì)算模型

采用Midas Civil 2015 軟件建立樁基的靜力計(jì)算模型。根據(jù)土層的分布進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，模型單元?02個(gè)，節(jié)點(diǎn)共104 個(gè)，模型如圖5 所示。

圖5 蓋梁計(jì)算模型Fig.5 Calculation Model of Capping Beam

3.2.2 邊界條件

樁基的土層從上自下分別為淤泥（不考慮）、亞粘土、亞粘土、全風(fēng)化粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、微風(fēng)化粉砂巖。根據(jù)文獻(xiàn)［6］附錄P 取各土層的m 值，計(jì)算土層對(duì)樁基的約束剛度，在Midas 中采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐進(jìn)行模擬?？紤]土層對(duì)樁基的約束作用。

3.2.3 永久作用

驗(yàn)算樁基考慮的永久作用主要分為上部結(jié)構(gòu)鋪裝、整體化層、防撞欄、小箱梁以及下部結(jié)構(gòu)墩身、承臺(tái)的自重；另外由于新道路開挖引起的樁基頂0.4 mm的水平位移，作為基礎(chǔ)位移工況來考慮。各項(xiàng)永久作用的取值如下：

⑴ 橋面鋪裝：0.09×15.25×20×24=658.8 kN

⑵ 整體化層：0.1×16.25×20×26=845 kN

⑶ 防撞欄：0.326 1×20×2×26=339.2 kN

⑷ 空心板：南引橋左右幅共58+59=117 m 跨空心板混凝土共計(jì)6 045.9 m3。

單跨空心板重：6 045.9÷117×26=1 343.6 kN

上部結(jié)構(gòu)恒載合計(jì)：658.8+845+339.2+1 343.6=3 186.6 kN

⑸ 蓋梁、橋墩、系梁及樁基自重程序自動(dòng)計(jì)入。

3.2.4 可變作用

橫向加載按3 個(gè)車道進(jìn)行加載，沖擊系數(shù)取1.3。

3.2.5 未考慮樁基位移情況下承載力極限狀態(tài)組合樁基軸力計(jì)算（見圖6）

圖6 未考慮樁基位移情況下承載力極限狀態(tài)組合軸力Fig.6 Combined Axis Force in Ultimate State of Bearing Capacity without Consideration of Pile Foundation Displacement（kN）

將以上永久作用、可變作用加載至計(jì)算模型中，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范：JTG D60-2015》［7］第4.1.6 條進(jìn)行基本組合，用以驗(yàn)算承載能力極限狀態(tài)。

3.2.6 未考慮樁基位移情況下樁基抗彎承載力計(jì)算

根據(jù)Midas Civil 承載能力極限狀態(tài)組合計(jì)算可知，不考慮樁基沉降造成的軸力增減的情況下，樁基頂緣軸力為2 080.5 kN。

樁基縱向主筋為26 根φ25 鋼筋，采用XTRACT對(duì)樁基劃分纖維單元驗(yàn)算樁基極限承載能力，在軸力為2 080.5 kN 的情況下，計(jì)算對(duì)應(yīng)的等效屈服彎矩。

由圖7 可知，在軸力為2 080.5 kN 的情況下，樁基的等效屈服彎矩為3 887 kN·m。原結(jié)構(gòu)樁基橫向彎矩為659 kN·m，也就是說發(fā)生樁基豎向不均勻沉降使樁基產(chǎn)生的橫向彎矩不大于3 887-659=3 228 kN·m，以及樁基頂緣發(fā)生縱橋向側(cè)向位移使樁基產(chǎn)生的縱向彎矩不大于3 887 kN·m 時(shí)，即認(rèn)為樁基的極限承載能力滿足規(guī)范要求。

圖7 未考慮樁基位移情況下樁基抗彎承載力計(jì)算結(jié)果Fig.7 Calculation Results of Flexural Bearing Capacity of Pile Foundation without Considering Pile Displacement

3.3 樁基抗彎承載力極限狀態(tài)下樁基位移臨界值計(jì)算

3.3.1 橫向兩根樁間沉降差臨界值

樁基豎向不均勻沉降按10 mm 進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不均勻沉降1cm 時(shí)彎矩Fig.8 Bending Moment Diagram for 1cm of Uneven Settlement （kN·m）

由圖8 可知，樁基產(chǎn)生1 cm 不均勻沉降時(shí)，彎矩增加594 kN·m，當(dāng)樁基不均勻沉降小于3 228÷594=54 mm 時(shí)，認(rèn)為樁基的極限承載能力滿足規(guī)范要求。

3.3.2 縱向兩排樁間沉降差臨界值

樁基縱橋向側(cè)向位移按10 mm 進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖9 所示。

由圖9 可知，樁基產(chǎn)生1 cm 縱橋向側(cè)向位移時(shí)，彎矩增加1 032.5 kN·m，當(dāng)樁基不均勻沉降小于3 887÷1 032.5=38 mm 時(shí)，認(rèn)為樁基的極限承載能力滿足規(guī)范要求。

圖9 縱橋向側(cè)向位移10mm 時(shí)彎矩Fig.9 Bending Moment Diagram of Longitudinal Bridge with Lateral Displacement of 10mm （kN·m）

4 施工過程監(jiān)測(cè)預(yù)警值及報(bào)警值確定

4.1 總體說明

綜合新建市政道路施工過程對(duì)既有橋梁的力學(xué)影響分析的結(jié)果以及既有橋梁橋墩極限狀態(tài)分析結(jié)果，確定施工過程監(jiān)測(cè)預(yù)警值及報(bào)警值。

4.2 施工過程監(jiān)測(cè)預(yù)警值及報(bào)警值確定（見表4）

5 結(jié)論

⑴ 新建市政道路施工過程中，使既有高架橋梁樁基產(chǎn)生了最大豎向應(yīng)力約為-1.3 MPa，新增的是壓應(yīng)力，該應(yīng)力完全在既有橋梁樁基的富余包絡(luò)范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)樁基產(chǎn)生不利影響。

⑵ 新建市政道路施工過程中，橋梁結(jié)果的位移（橋墩中心點(diǎn)）最大值為3.50 mm，最小值為-4.16 mm；橫向相鄰橋墩的沉降差最大值為0.04 mm，最小值為0.01 mm；縱向相鄰橋墩的沉降差最大值為2.58 mm，最小值為2.57 mm。橋梁結(jié)構(gòu)的沉降值及相鄰橋墩的沉降差均小于控制標(biāo)準(zhǔn)，即新建市政道路施工不會(huì)對(duì)既有高架橋梁產(chǎn)生功能性影響。

⑶ 通過對(duì)新建市政道路施工過程模擬分析計(jì)算，得到樁基達(dá)到抗彎極限承載力時(shí)相鄰兩根樁基的沉降差值，分析計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)橫橋向兩根樁基沉降差小于54 mm，縱橋向兩根樁基沉降差小于38 mm 時(shí)，樁身應(yīng)力在其極限承載力范圍內(nèi)，樁基本身是安全的。

⑷ 通過三維數(shù)值模擬分析結(jié)合相關(guān)規(guī)范，提出了新建市政道路施工過程中對(duì)既有高架橋梁的監(jiān)測(cè)預(yù)警值和報(bào)警值，確保對(duì)高架橋梁的安全性、功能性影響大小在安全范圍內(nèi)。

表4 施工過程監(jiān)測(cè)預(yù)警值及報(bào)警值確定Tab.4 Determination of Early Warning Value and Alarm Value of Construction Process Monitoring （mm）

⑸ 根據(jù)模擬分析計(jì)算結(jié)果顯示，新建市政道路施工過程中不會(huì)影響既有高架橋梁的安全性和功能性，施工方案是可行的，高架橋梁是安全的。