張路鋒

（邢臺路橋建設總公司，河北邢臺 054001）

基于有限元的樁基施工對既有高速公路影響分析

張路鋒

（邢臺路橋建設總公司，河北邢臺 054001）

近年來中國跨線立交橋高速發(fā)展，掌握樁基礎施工對附近高速公路的影響具有重要意義。文中基于平面有限元，根據實際工程地質條件，對施工不同階段進行過程模擬，推導出樁基礎施工附近高速公路路堤及邊坡、坡腳、路面位移變化的特征。結果顯示，樁基礎施工導致附近邊坡產生潛在滑動面，坡腳附近土體產生擾動且穩(wěn)定性下降，高速公路路面產生不均勻沉降。

橋梁；樁基；跨線橋；既有高速公路；邊坡穩(wěn)定性；有限元分析

隨著經濟的快速發(fā)展，為滿足城市對交通的需要，發(fā)達地區(qū)基礎設施建設迎來擴建、新建浪潮。新建、擴建結構的施工會通過對附近土體擾動影響鄰近構造物的穩(wěn)定性和安全性。在深厚軟弱黏土地區(qū)，跨線橋樁基施工對既有高速公路的影響尤為顯著。國內外關于新建樁基礎對其附近既有公路路面及邊坡影響的研究成果有：20世紀60年代，日本密集建設跨線橋，發(fā)現新建樁基礎會對公路邊坡的穩(wěn)定性產生影響；周圍土層的擾動程度還與樁的類型和成樁方法有關，管樁施工過程中土體中水平方向的最大位移發(fā)生在樁長的1/3～1/2深度處，而不是土層表面；鉆孔灌注樁在穿透砂層時，為避免出現涌砂、塌孔等現象威脅周圍已有建筑物，應及時采用泥漿護孔；擠土樁、PHC樁施工過程中的擠土效應十分明顯，在試樁周圍半徑10m范圍內土體有明顯水平位移。該文利用Plaxis有限元分析軟件模擬某高速公路跨線橋工程樁基施工全過程，研究分析施工過程對其下既有高速公路一側土質邊坡的影響，為跨線橋樁基施工提供建議和指導。

1　有限元建模分析

1.1模型理論概括

由于樁基承臺和某高速公路是對稱的，只建模模擬分析樁基施工對該高速公路左半幅的影響。樁基的幾何尺寸及與某高速公路的相對位置見圖1。

圖1　樁基幾何尺寸及與公路的對應位置

1.2工程概況及參數

施工路段場地土層結構較為復雜。根據工程地質鉆探結果，地基場地的地層分布及相關物理力學參數見表1，其中地下平均水位為-1.2m。

根據工程地質條件，該工程樁基礎施工采用鉆孔灌注樁（C30水下砼），其施工參數見表2。由式（1）、式（2）得到的等效墻體計算參數見表3。

1.3有限元建模

依據Plaxis有限元建模分析，樁體和土體分別采用彈塑性材料、彈性材料模型；在計算周邊界線范圍時，水平和豎直方向的取值都為2倍樁體長度；在設定邊界約束條件時，兩側在水平方向上設置約束，底邊的邊界約束條件設為固定。根據實際情況，頂、底部均為自由排水，左、右兩側均為不排水邊界。取場地平均水位-1.2m為地下水位。

表1　地基土的主要物理力學指標

項目　參數值樁間距S/m　3.9樁長H/m　56單樁極限承載力Pp/kN　5680樁徑Dp/m　1.5

表3　地下連續(xù)墻計算參數

分4步對施工過程進行建模模擬，獲得跨線橋樁基施工前的應力狀態(tài)及各施工樁號對既有高速公路的影響。步驟1：模擬被跨高速公路路堤的施工填筑過程，路堤的填筑土體采用表1中素填土的物理力學參數，根據實際施工工況，該過程持續(xù)時間為7d。為方便模擬，瀝青碎石路面產生的荷載折算成行車荷載。步驟2：模擬路堤填筑后土體的固結穩(wěn)定和高速公路建設完成過程，該過程持續(xù)時間為300d。步驟3：模擬工程場地周圍土的固結和孔隙壓力的變化過程，獲取跨線橋樁基施工前土體的應力狀態(tài)；并根據高速公路實際通車狀況，獲得施加于土體的行車荷載。根據實際通車時間，該過程持續(xù)時間為365d。步驟4：模擬跨線橋樁基礎的施工過程，根據實際施工狀況，每根樁的時間間隔取4d。

2　計算結果分析

按圖1（b）所示方法進行樁基施工，1#、2#、3#樁與坡腳處的距離分別為4.0、7.9和11.8m。圖2為樁基施工前和完成后路堤邊坡總位移等值線圖。

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圖2　邊坡總位移等值線圖

設偏離道路中心水平方向的位移為正、豎直方向向上位移為正。如圖2（a）所示，在穩(wěn)定的交通荷載影響下，樁基施工之前坡腳處產生的偏離道路中心的水平位移程度較小，路堤產生豎向沉降程度也較小，而且路堤及邊坡沒有形成潛在的滑動面。如圖2（b）所示，在樁體施工完成之后，邊坡產生滑動面。既有高速公路路面上的開裂位置不在路肩邊緣，而是距離路肩有一定長度；在原場地的開裂位置不是在既有高速公路的坡腳，而是位于坡腳和1#樁之間。從圖2還可看出既有高速公路路面有褶皺和開裂的危險，并產生了不均勻沉降。

將圖2（a）和（b）進行對比，可得出：路堤的不均勻豎向沉降幅度較大，并且在樁基施工后，坡腳處的位移由原本的偏離道路中心變成偏向中心。表明樁體的施工對既有路面及路堤的穩(wěn)定性會有不良影響，且坡腳處產生了較為顯著的擠土效應。

2.1樁體施工對坡腳產生的影響

樁基施工在既有高速公路坡腳處產生的水平方向位移及豎直方向位移見圖3。

在圖3可看出：對既有高速公路坡腳土體造成影響最大的是1#樁，水平位移及豎直位移為-8～-9mm；其次是2#樁，為-4～-7mm；3#樁造成的影響最小，為-2～-4mm。這與樁基與坡腳的距離有關，1#樁距離坡腳最近，約為4.0m；其次是2#樁；3#樁距離坡腳最遠，為11.8m。

圖3　樁基施工所引起的既有高速公路坡腳位移

2.2樁體施工對原場地產生的影響

鉆孔灌注樁施工會對原場地的土體結構造成不良影響。施工完成后，地面的位移會隨距1#樁水平方向距離的增加而產生相應變化（見圖4）。

圖4　樁基施工所引起的原場地地表位移

從圖4可看出：原場地地表的水平方向位移會隨著離1#樁距離的增加而逐漸增大，當距離為0.5 ～3.5m時位移增長較快，到3.5～4.0m時水平方向位移逐漸穩(wěn)定至-22.5mm。原場地地表豎直方向位移會隨著離1#樁距離的增加而逐漸減小，距離為0.5～3.5m時位移減速較快，到3.5～4.0m時豎直方向位移逐漸穩(wěn)定至-14.5mm。

2.3樁體施工對路面的影響

圖5　樁基施工所引起的路面位移

如圖5所示，在樁基施工完成后，路面會隨距路肩外邊緣距離的變化而產生豎直位移和水平位移，豎直方向位移的最大值出現在距離路肩邊緣1.92 m處，為-45.6mm，在距路肩邊緣21.0m處漸漸穩(wěn)定至-21.0mm；水平方向位移的最大值也出現在距離路肩邊緣1.92m處，為-14.3mm，至距路肩外邊緣21.0m處降為零。總體來說，隨著距路肩邊緣距離的增加，兩個方向的位移都先增后減然后漸漸穩(wěn)定。另外，從豎向位移來看，施工完成后路面產生了一定程度的不均勻沉降。

3　結論

（1）樁體施工會使邊坡產生滑動面，滑動面可能使路面產生裂縫，位置離路肩邊緣有一定長度；滑動面可能使原場地產生裂縫，位置在坡腳和1#樁之間。施工對坡腳的擾動會隨著距離坡腳遠近而發(fā)生變化，越遠則擾動越小，到達一定距離時可忽略。

（2）原場地地表水平方向位移會隨著離1#樁距離的增大而逐漸增大，而后在接近坡腳時逐漸穩(wěn)定；原場地地表豎直方向位移會隨著離1#樁距離的增大而漸漸減小，而后在接近坡腳時漸漸穩(wěn)定。

（3）樁基施工對路面會造成明顯影響，隨著與路肩邊緣距離的增加，兩個方向的位移都會增長，至一定距離時出現最大值，而后逐漸減小直至穩(wěn)定；樁基施工完成后路面會產生一定程度的不均勻沉降。

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