張秀成，陳德貴，王昌軍，曾興貴

(1.莆田學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 莆田 351100；2.福建巨岸建設(shè)工程有限公司，福建 莆田 351100；3.億耀(福建)建設(shè)有限公司，福建 莆田 351100)

0 引言

在我國很多城市，由于城區(qū)不斷向外圍擴(kuò)大，城市道路與高速公路的交叉越來越多，特別是城市道路直接在高速公路立交橋下通過，可以節(jié)約城市道路穿越高速公路的工程投資。下穿道路在建設(shè)過程中，需要將路堤加高加寬，這樣的路堤施工等程序?qū)⒁鹪坊浲涟l(fā)生擠壓，甚至產(chǎn)生側(cè)向變形，隨著時(shí)間的延長，路基軟土的擠壓或側(cè)向變形越來越嚴(yán)重[1-3]。這種不利影響將會(huì)波及路基兩側(cè)的立交橋橋墩樁基的穩(wěn)定，可能造成橋墩樁基沉降過大、不均勻沉降、傾斜和結(jié)構(gòu)損傷，給既有立交橋帶來一定的安全隱患，甚至倒塌的危險(xiǎn)[4-5]。所以，在高速公路立交橋下新建城市道路時(shí)，對立交橋橋墩樁基進(jìn)行安全性評估及影響分析是非常必要的。

1 工程概況

莆田市濱江北路項(xiàng)目位于莆田市城廂區(qū)，紅線寬度為24 m，雙向四車道，屬于城市次干路，設(shè)計(jì)車速為30 km/h，設(shè)計(jì)汽車荷載為城-A級。根據(jù)規(guī)劃線形，濱江北路在K0+730處從沈海高速公路莆田西互通立交橋第4聯(lián)第3孔穿過，第4聯(lián)上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)為樁柱式橋墩，樁基為嵌巖灌注樁。下穿處梁底標(biāo)高為23.15 m，而下穿道路設(shè)計(jì)標(biāo)高為14.52 m，高差為8.63 m，滿足凈高4.5 m的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)高，下穿道路在橋下需填高4.98m。下穿道路機(jī)動(dòng)車道為單幅，14.0 m寬，雙側(cè)各設(shè)置5.0 m人行道，道路中心偏向13#橋墩，如圖1所示。

圖1 道路橫斷面布置示意圖(單位：m)

2 下穿道路對既有橋梁樁基的影響分析

2.1 影響因素

濱江北路下穿高速公路莆田西互通立交橋，下穿道路路基填土及道路荷載對下穿處橋墩樁基的內(nèi)力與變形均會(huì)產(chǎn)生影響，因此在項(xiàng)目實(shí)施前有必要評估下穿道路施工和運(yùn)營對既有橋墩樁基的影響，確保既有橋梁的安全。下穿道路對立交橋橋墩樁基的影響主要涉及橋墩豎向作用力、橋墩水平作用力和橋墩位移變形3個(gè)方面。

2.2 荷載計(jì)算

濱江北路修建過程中和修建完成后，作用在橋墩樁基上的荷載，除了考慮修建之前的各種荷載外，還須考慮下穿道路路基自重力、路基填筑引起的負(fù)摩阻力以及道路路面汽車荷載等。下面從橋墩豎向作用力、橋墩水平作用力、下穿道路路面荷載、單樁負(fù)摩阻力和壓實(shí)填土產(chǎn)生的水平壓力強(qiáng)度等5個(gè)方面介紹作用在樁基上的各種荷載。

(1)橋墩豎向作用力。下穿道路在立交橋第4聯(lián)第3孔穿過，即從13#橋墩和14#橋墩中間穿過。第4聯(lián)全長(31.0+32.1+31.0)m。作用在橋墩上的豎向作用力主要是由上部結(jié)構(gòu)自重和汽車荷載產(chǎn)生的。為了準(zhǔn)確計(jì)算橋墩在自重荷載和車輛荷載下所受的豎向作用力，運(yùn)用Madis Civil進(jìn)行建模及計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖2。

根據(jù)圖2可知，立交橋13#橋墩、14#橋墩承受豎向作用力分別為5 622.9 kN、2 762.3 kN，13#橋墩和14#橋墩均由兩根墩柱共同受力，所以13#橋墩、14#橋墩單根墩柱所受豎向作用力分別為2 811.45 kN、1 381.15 kN。

圖2 13#橋墩、14#橋墩豎向作用力計(jì)算結(jié)果(單位：k N)

(2)橋墩水平作用力。作用在橋墩上的水平作用力主要是由汽車荷載制動(dòng)力產(chǎn)生，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)相關(guān)規(guī)定[6]，13#橋墩單根墩柱的水平作用力f13#=301.0/2=150.5 kN，14#橋墩單根墩柱的水平作用力f14#=90.4/2=45.2kN。

(3)下穿道路路面荷載。下穿道路正常通車后，路面車輛重力將會(huì)對路基填土產(chǎn)生豎向壓力，土體將會(huì)產(chǎn)生一定的側(cè)向變形，考慮到下穿道路長期運(yùn)營對橋梁結(jié)構(gòu)位移影響，須計(jì)算下穿道路正常通車時(shí)的車輛荷載，根據(jù)《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ37—2012)荷載標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定:道路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以雙輪組單軸載100 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載[7]。

(4)單樁負(fù)摩阻力。在橋墩墩柱周圍的地表面有大面積堆載時(shí)，由于土的自重作用，使橋墩墩柱側(cè)向土壓密固結(jié)引起地面沉降，對橋墩墩柱產(chǎn)生負(fù)摩阻力，該負(fù)摩阻力也是施加在橋墩墩柱上的外荷載，增大了橋墩墩柱承受的豎向作用力。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)相關(guān)規(guī)定[8]，立交橋13#墩、14#墩的單根墩柱負(fù)摩阻力均為:Qn=2 132.56 kN。

(5)壓實(shí)填土產(chǎn)生的水平壓力強(qiáng)度。在單側(cè)路基填土的重力影響下，土體會(huì)發(fā)生一定的側(cè)向變形，從而增加橋墩所受的水平作用力。壓實(shí)填土產(chǎn)生的水平壓力強(qiáng)度，可根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[6]來計(jì)算，填土4.98 m高，得到13#橋墩、14#橋墩單根墩柱的水平壓力強(qiáng)度:qH=62.7 kPa。

3 樁基內(nèi)力與變形分析

根據(jù)上述荷載計(jì)算結(jié)果，13#橋墩所受荷載大于14#橋墩，因此選取13#橋墩作為研究對象，最不利情況是單側(cè)堆載。建立13#橋墩單側(cè)單根墩柱堆載模型(如圖3所示)，將計(jì)算得到的荷載，通過相應(yīng)命令流加載到FLAC 3D模型中，模擬計(jì)算下穿道路填土及道路荷載對13#橋墩樁基的豎向承載力、內(nèi)力和變形大小的影響[9-10]。

圖3 13#橋墩單根墩柱單側(cè)堆載計(jì)算模型圖

3.1 計(jì)算工況

計(jì)算分3種工況，工況1:道路施工前由橋梁及橋墩基礎(chǔ)自重及橋梁結(jié)構(gòu)上部車輛傳遞下來的荷載，計(jì)算橋墩樁基未受下穿道路影響的自身位移；工況2:道路施工中由填土引起的位移，分析在施工過程中橋梁基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)的安全性；工況3:道路施工完成后，在路面標(biāo)準(zhǔn)汽車荷載作用下橋墩樁基的沉降位移，分析道路長期運(yùn)營對橋墩樁基安全的影響。利用FLAC 3D計(jì)算得到不同工況下13#橋墩單根墩柱對應(yīng)荷載值，如表1所示。

3.2 單根墩柱豎向承載力分析

因?yàn)楣r3對應(yīng)的豎向荷載最大，包括橋墩支座反力、道路路面荷載和填筑路基產(chǎn)生的負(fù)摩阻力及土體重力，其基底豎向應(yīng)力最大，因此驗(yàn)證地基承載力是否滿足要求只需驗(yàn)證工況3對應(yīng)的樁底應(yīng)力是否滿足即可。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3363—2019)[11]規(guī)定，橋下樁基基底地質(zhì)為弱風(fēng)化凝灰熔巖，修正后的地基承載力容許值取800 kPa。工況3對應(yīng)荷載作用下13#橋墩單根墩柱樁基基底應(yīng)力如圖4所示。由圖4知，13#橋墩單根墩柱樁基基底應(yīng)力f1=600kPa＜800 kPa，因此單側(cè)堆載下橋墩單根墩柱樁基基底承載力滿足規(guī)范要求。

圖4 13#橋墩單側(cè)堆載單根墩柱樁基基底應(yīng)力圖

3.3 路基堆載對橋墩單根墩柱樁基及土體變形的影響分析

3.3.1 工況1

圖5 工況1樁基水平位移圖

圖6 工況1樁基豎向位移圖

工況1考查橋墩樁基未受下穿道路影響的自身位移，計(jì)算結(jié)果如圖5～圖8所示。水平位移基本為0.0 mm，豎向位移最大值在0.4 mm左右。土體水平位移較大區(qū)域集中在砂巖層，水平位移為1.0 mm，豎向位移在1.7 mm左右。

圖7 工況1樁基樁-土水平位移圖

圖8 工況1樁基樁-土豎向位移圖

3.3.2 工況2

工況2考查在施工過程中橋墩樁基的位移，計(jì)算結(jié)果如圖9～圖12所示。填土區(qū)水平位移和豎向位移較大，水平位移值在4.0～8.0 mm，豎向位移在4.0 mm左右。

圖9 工況2樁基水平位移圖

圖10 工況2樁基豎向位移圖

3.3.3 工況3

圖11 工況2樁基樁-土水平位移圖

圖12 工況2樁基樁-土豎向位移圖

工況3考查道路長期運(yùn)營對橋梁結(jié)構(gòu)位移的影響。計(jì)算結(jié)果如圖13～圖16所示。堆載作用區(qū)域下土層以土體沉降為主，圖16中路基填土底部區(qū)域土體沉降較大，達(dá)87.0 cm；在堆載區(qū)域外，側(cè)向位移占主導(dǎo)，圖14中亞粘土區(qū)域填土層最大水平位移1.14 m，但對樁基的影響較小，其對應(yīng)區(qū)域的樁基水平位移不足1.0 mm。

圖13 工況3樁基水平位移圖

圖14 工況3樁基豎向位移圖

3.3.4 變形分析

圖15 工況3樁基樁-土水平位移圖

圖16 工況3樁基樁-土豎向位移圖

(1)單側(cè)堆載作用下13#橋墩單根墩柱樁基沿樁身長度變化的橫向變形(即水平位移)如圖17所示，由于工況1并未加載水平力，因此其水平位移值較小，近似為0；工況2有水平力，樁基沿水平力方向發(fā)生小變形，其水平位移最大值出現(xiàn)在樁底，為0.10 mm；工況3的水平變形趨勢與工況2類似，其水平位移最大值出現(xiàn)在樁底，其值為0.15 mm，因此立交橋13#橋墩單根墩柱樁基單側(cè)堆載水平位移滿足要求。

圖17 樁基水平位移圖

(2)根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3363—2019)BFQ[11]相關(guān)規(guī)定，墩臺(tái)均勻總沉降值不應(yīng)大于20L，20L=111.30 mm。單側(cè)堆載作用下樁基沿樁身長度變化的豎向變形(即豎向位移)如圖18所示，3種工況下豎向位移微小，最大值分別為0.42、0.52、0.53 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范值，因此13#橋墩單根墩柱樁基單側(cè)堆載豎向位移滿足要求。

圖18 樁基豎向位移圖

3.4 路基堆載作用下樁基應(yīng)力分析

樁身材料按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[12]等規(guī)范，據(jù)此計(jì)算鋼筋混凝土樁樁基豎向承載容許應(yīng)力F=11.70 MPa。如圖19～圖21所示，工況1、工況2、工況3下樁基豎向最大應(yīng)力分別為2.48、2.48、2.49 MPa，均小于11.70 MPa，因此，13#墩樁基豎向應(yīng)力滿足要求。

圖19 工況1樁基豎向應(yīng)力圖

圖20 工況2樁基豎向應(yīng)力圖

圖21 工況3樁基豎向應(yīng)力圖

4 結(jié)論

濱江北路下穿莆田西互通立交橋，其路基堆載及道路荷載對高速公路莆田西互通立交橋樁基的地基承載力、內(nèi)力、變形影響均在安全范圍內(nèi)，在各種工況下，樁基的水平位移量值微小，不會(huì)對橋梁結(jié)構(gòu)造成不利影響。但考慮到樁基有輕微橫向傾斜趨勢，所以建議采取以下措施，以減小和防范樁基出現(xiàn)水平傾斜變形。

(1)在立交橋下對濱江北路實(shí)施路堤填土施工時(shí)，為了避免或者降低路堤填土對立交橋樁基所受內(nèi)力及位移的影響，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行路堤填土施工規(guī)范，并控制路堤填土的施工速度。

(2)在路堤施工過程中，必須按照施工規(guī)范對立交橋墩柱采取施工保護(hù)措施，禁止施工車輛、施工機(jī)械和施工材料等碰撞立交橋墩柱。

(3)在橋下道路施工完成之后、開通之前，立交橋墩柱周圍必須設(shè)置防撞或者緩沖設(shè)施，防止交通車輛撞擊或者減少撞擊對立交橋樁基產(chǎn)生的不利影響。

(4)在橋下道路竣工后，在立交橋兩側(cè)的道路右側(cè)分別設(shè)置必要的交通安全警示標(biāo)志和安全誘導(dǎo)標(biāo)志等，提醒司機(jī)注意本路段的交通安全。