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        三嶼互通連接線軟基段落路基設(shè)計方案研究

        2019-03-15 01:50:54陳祖鑫
        福建交通科技 2019年1期
        關(guān)鍵詞:堤壩大橋斷面

        ■陳祖鑫

        (福建省交通規(guī)劃設(shè)計院,福州 350004)

        0 引言

        三嶼新區(qū)是三都澳內(nèi)臨近主城區(qū),用地條件較為充裕,適宜大產(chǎn)業(yè)集中開發(fā)建設(shè)的用地。某汽車公司將于七都鎮(zhèn)附近新建廠區(qū),并于2019年9月投產(chǎn)運(yùn)營,作為材料與銷售重要通道的三嶼互通,項(xiàng)目具有重大意義。由于該項(xiàng)目連接線位于軟基段,互通連接線部分段落設(shè)計為三嶼特大橋橋梁方案,三嶼特大橋兩側(cè)設(shè)計有盤嶼路,盤嶼路路基和場地填筑將對橋梁造成影響。三嶼特大橋一側(cè)有舊橋和舊海堤,橋梁和場地施工也將對舊橋和舊海堤產(chǎn)生影響。為評估新建三嶼互通連接線橋梁、路基和兩側(cè)新建盤嶼路路基之間的相互影響,以及對既有云淡大橋和堤壩的影響,本文采用巖土有限元軟件Geo-Studio對該項(xiàng)目設(shè)計方案進(jìn)行計算和分析[1-5]。

        1 項(xiàng)目概況

        1.1 項(xiàng)目簡介

        本項(xiàng)目起點(diǎn)位于晉安區(qū)宦溪鎮(zhèn)山溪村,設(shè)桃源溪互通與北二通道銜接。本項(xiàng)目終點(diǎn)擬定于連江縣潘渡鄉(xiāng)貴安村,與沿江大道(貴山公路)平交。

        三嶼互通連接線設(shè)計速度60km/h,路基寬度17.5m,雙向四車道。三嶼互通連接線位于三嶼園區(qū) (如圖1所示),連接線設(shè)計標(biāo)高11~15,兩側(cè)設(shè)計有場區(qū)道路盤嶼路,盤嶼路平均設(shè)計高8,連接線施工在前,盤嶼路施工在后,盤嶼路施工時需將場地填平至盤嶼路設(shè)計高,由于本路段為軟基地段,若先施工三嶼特大橋,后期盤嶼路路基場地填土施工時,會對橋墩造成擠壓,從而造成破壞。連接線一側(cè)有一堤壩,堤壩內(nèi)側(cè)現(xiàn)有一條防汛路,F(xiàn)K0+900樁號左側(cè)約60m處現(xiàn)有一座云淡大橋,場地的填筑也可能將對堤壩和云淡大橋產(chǎn)生影響。連接線后段為路基,若先施工連接線路基,后期施工的盤嶼路路基沉降可能會導(dǎo)致先期施工的三嶼路面不均勻沉降和開裂。

        圖1 項(xiàng)目位置圖

        1.2 地質(zhì)條件

        場區(qū)主要地貌單元主要為沖海積灘涂地貌,互通連接線路基段落屬沖海積平原地貌,海拔高程-0.3~3.8m,為軟土發(fā)育路段,上部分布素填土層,下為淤泥層,厚度2.0~5.0m不等,呈飽和流塑狀態(tài),具有含水量大、高壓縮性、低抗剪強(qiáng)度等特性。

        本場區(qū)地震設(shè)防烈度為6度區(qū),工程場地地震動峰值加速度為0.05g,中硬土場地特征周期為0.40s。場區(qū)近期未發(fā)生過地震,根據(jù) 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011-2010規(guī)定,本場地屬于6度區(qū),可不考慮砂土液化及軟土震陷問題。

        2 數(shù)值分析模型

        2.1 計算模型

        本文采用有限元巖土軟件Geo-Studio中的Slope/W和Sigma/W模塊來進(jìn)行二維有限元分析,模擬并計算FK0+885、FK0+945、FK1+007 和 FK1+068 四個不同斷面在不同情況下的位移和穩(wěn)定性情況。穩(wěn)定性計算方法根據(jù) 《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)中的規(guī)定采用Bishop法。本項(xiàng)目鉆探采用快剪指標(biāo),因此,路堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)正常工況下應(yīng)達(dá)到1.35[6]。

        2.1.1 FK0+885斷面

        典型斷面FK0+885的計算模型如圖2所示,斷面主線為三嶼特大橋,左側(cè)為既有的云淡大橋和防汛路,橋下兩側(cè)分別為將新建的盤嶼路的左右線,盤嶼路中間將其填平。計算模型范圍140m寬,55m高。根據(jù)實(shí)際鉆探結(jié)果,地下水位埋深約為1.8m,盤嶼路路堤填料為土方,盤嶼路軟基處理采用擠密砂樁。土層自上到下分別為沖填土(填砂 6~8m)、卵石、淤泥或淤泥質(zhì)粘土(3~5m)、卵石、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。邊界條件模型右側(cè)為橫向約束,模型底部和左側(cè)為固定支座約束。

        圖2 FK0+885數(shù)值計算模型

        2.1.2 FK0+945斷面

        典型斷面FK0+945的計算模型如圖3所示,斷面主線為三嶼特大橋,左側(cè)為既有堤壩和防汛路,橋下兩側(cè)分別為即將新建的盤嶼路的左右線,盤嶼路中間將其填平。計算模型范圍150m寬,50m高。根據(jù)實(shí)際鉆探結(jié)果,地下水位埋深約為2.5m,盤嶼路路堤填料為土方,由于靠近堤壩,為避免軟基施工對堤壩產(chǎn)生影響,靠近堤壩一側(cè)的盤嶼路軟基處理采用高壓旋噴樁,遠(yuǎn)離堤壩的一側(cè)采用擠密砂樁。土層自上到下分別為沖填土(填砂3~8m)、淤泥或淤泥質(zhì)粘土(2~6m)、卵石、淤泥(1~2m)、中砂、卵石。邊界條件模型右側(cè)為橫向約束,模型底部和左側(cè)為固定支座約束。

        圖3 FK0+945數(shù)值計算模型

        2.1.3 FK1+007斷面

        典型斷面FK1+007的計算模型如圖4所示,斷面主線為三嶼連接線路基,三嶼路基左右兩側(cè)為盤嶼路路基,三嶼路基標(biāo)高為13.1,高于盤嶼路路基,右側(cè)設(shè)置扶壁式擋土墻。左側(cè)為既有堤壩和防汛路。計算模型范圍160m寬,45m高。根據(jù)實(shí)際鉆探結(jié)果,地下水位埋深約為2.2m,路基填料為土方,由于三嶼連接線路基填方較高,且淤泥層中夾雜了卵石,因此軟基處理采用小直徑鉆孔灌注樁的方式,灌注樁直徑0.5m,平均樁長22m,樁間距2m,兩側(cè)盤嶼路填土高度較矮,靠近堤壩一側(cè)的軟基處理采用高壓旋噴樁,另一側(cè)采用擠密砂樁。土層自上到下分別為沖填土(填砂 7~11m)、淤泥(0~1m)、中砂、卵石、淤泥(2~6m)、卵石。邊界條件模型右側(cè)為橫向約束,模型底部和左側(cè)為固定支座約束。

        圖4 FK1+007數(shù)值計算模型

        2.1.4 FK1+068斷面

        典型斷面FK1+068的計算模型如圖5所示,斷面主線為三嶼連接線路基,三嶼路基左右兩側(cè)為盤嶼路路基,三嶼路基標(biāo)高為11.3,高于盤嶼路路基,右側(cè)設(shè)置衡重式擋土墻。左側(cè)為既有堤壩和防汛路。計算模型范圍150m寬,35m高。根據(jù)實(shí)際鉆探結(jié)果,地下水位埋深約為1.7m,路基填料為土方,雖然三嶼連接線路基填方較高,但淤泥層不厚,因此軟基處理采用擠密砂樁,兩側(cè)盤嶼路填土高度較矮,靠近堤壩一側(cè)的軟基處理采用高壓旋噴樁,另一側(cè)采用擠密砂樁。土層自上到下分別為沖填土 (填砂3~7m)、淤泥(0~2m)、中砂(2~5m)、卵石(0~2m)、淤泥(3~4m)、卵石。邊界條件模型右側(cè)為橫向約束,模型底部和左側(cè)為固定支座約束。

        圖5 FK1+068數(shù)值計算模型

        2.2 計算參數(shù)

        計算參數(shù)均采用摩爾庫侖模型,土層參數(shù)取自實(shí)際工程鉆探和室內(nèi)資料,其他參數(shù)參考期刊文獻(xiàn)[1-5],其參數(shù)見表1所示。

        3 計算結(jié)果

        基于以上模型和參數(shù),本文對四個典型斷面FK0+885、FK0+945、K1+007和 K1+068進(jìn)行穩(wěn)定性、位移和變形計算,并分析現(xiàn)有方案的合理性。

        表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

        3.1 FK0+885斷面

        FK0+885斷面離既有云淡大橋較近,橋下盤嶼路軟基處理采用高壓旋噴樁和擠密砂樁的處理方式,處理長度為11~13m。處理后經(jīng)驗(yàn)算,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為2.691,此斷面穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

        圖6 FK0+885邊坡穩(wěn)定性

        圖7~圖8為路基采用軟基處理后,進(jìn)行堆載后的位移云圖。從圖中可以看出,豎向位移云圖為從路基中心點(diǎn)往外呈放射狀,橫向位移云圖特點(diǎn)為在路基中線左右兩側(cè)基本對稱。路基橫向和豎向位移隨深度增加逐漸減小,在路基范圍內(nèi)豎向沉降明顯要大于橫向位移。但云淡大橋因路基填筑產(chǎn)生的水平位移為豎向位移的25倍,因此本節(jié)主要討論云淡大橋的水平位移。

        圖7 FK0+885斷面豎向位移云圖(m)

        圖8 FK0+885斷面橫向位移云圖(m)

        在盤嶼路堆土的荷載作用下,地基發(fā)生沉降,對既有的云淡大橋產(chǎn)生側(cè)向擠壓作用。計算結(jié)果如圖9所示(選取云淡橋靠近路基一側(cè)的橋墩作為觀測點(diǎn),X軸代表云淡大橋橋墩水平位移,方向水平向左,Y軸代表高度,即云淡橋面為0點(diǎn),向下為正),若軟基無處理,填土對既有云淡大橋產(chǎn)生的最大水平位移為0.49cm,采用軟基處理后降低為0.32cm,最大位移值位于9~11m深處,即淤泥層所在位置??梢钥闯?,軟基處理前后,云淡大橋位移減少了35%且控制在較小的范圍內(nèi),認(rèn)為此方案對既有云淡大橋影響較小。

        圖9 填土對云淡大橋的影響

        由于該斷面橋梁和路基隸屬于兩個不同的項(xiàng)目,因此可能存在先后施工的問題,對三嶼特大橋的影響也明顯不同。施工不同先后順序下三嶼特大橋水平位移和豎向位移的變化計算結(jié)果如圖10~圖11(選取三嶼特大橋右橋墩為觀測點(diǎn),X軸分別為水平位移和豎向位移,負(fù)值為水平位移向左,正值為水平位移向右豎向位移向下,Y軸代表高度,即三嶼特大橋橋面為0點(diǎn),向下為正)所示。

        從計算結(jié)果可以看出,先施工盤嶼路路基,后施工三嶼特大橋的情況下,三嶼特大橋橋墩最大水平位移和最大豎向位移分別為0.012cm和0.152cm;先施工三嶼特大橋,后施工盤嶼路路基情況下,三嶼特大橋橋墩最大水平位移和最大豎向位移分別為0.418cm和0.188cm??梢钥闯觯轿灰坪笳呤乔罢叩?4.8倍,豎向位移后者也比前者大了23.7%。因此,為避免盤嶼路后期施工路基對三嶼特大橋橋墩產(chǎn)生影響,應(yīng)必須先施工此段落路基,再施工三嶼特大橋。同時可以看出,在先施工盤嶼路路基情況下,三嶼特大橋所產(chǎn)生的水平位移和豎向位移較小,因此認(rèn)為此方案可行。

        圖10 填土對三嶼特大橋的水平位移影響

        圖11 填土對三嶼特大橋的豎向位移影響

        3.2 FK0+945斷面

        FK0+945斷面離既有堤壩較近,橋下盤嶼路軟基處理采用高壓旋噴樁和擠密砂樁的處理方式,處理長度為7~12m。處理后經(jīng)驗(yàn)算,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為2.346,如圖12所示,此斷面穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

        圖12 FK0+945邊坡穩(wěn)定性

        在盤嶼路路基填筑下,軟土地基發(fā)生沉降,對既有堤壩產(chǎn)生影響。計算結(jié)果如圖13~圖14(選取既有堤壩右側(cè)坡為觀測點(diǎn),X軸分別為堤壩在路基影響下的水平位移和豎向位移,水平位移方向向左,豎向位移方向?yàn)榇怪毕蛏?,Y軸代表高度,即堤壩頂面為0點(diǎn),向下為正)所示,從計算結(jié)果可以看出,軟基無處理前,堤壩受填土影響最大水平位移和豎向位移分別為0.92cm和0.81cm,軟基處理后,堤壩最大水平和豎向位移分別為0.76cm和0.67cm,均有所減小,且均在容許范圍內(nèi)。因此,認(rèn)為該斷面此處理方案可行。

        圖13 填土下堤壩的水平位移

        圖14 填土下堤壩的豎向位移

        3.3 FK1+007斷面

        FK1+007斷面三嶼連接線為路基,填土高度達(dá)到10m,采用小直徑鉆孔灌注樁進(jìn)行軟基處理。兩側(cè)盤嶼路標(biāo)高較矮,左側(cè)填高3.2m,軟基處理方式采用高壓旋噴樁;右側(cè)5.5m,軟基處理方式采用擠密砂樁。處理后經(jīng)驗(yàn)算,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為2.090,如圖15所示,此斷面穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

        圖15 FK1+007邊坡穩(wěn)定性

        采用軟基處理后路基對堤壩影響的計算結(jié)果,如圖16~圖18所示,堤壩的水平位移和豎向位移最大值分別為0.54cm和0.84cm,方向分別為水平向右和垂直向上。既有堤壩位移在容許范圍內(nèi),認(rèn)為此斷面處理方案可行。

        圖17 FK0+885斷面豎向位移云圖(m)

        圖18 填土下堤壩的位移

        由于兩個項(xiàng)目施工順序不同,當(dāng)三嶼互通段落先施工完畢后再施工盤嶼路路基,容易使得盤嶼路路基沉降對已施工的三嶼互通造成影響。計算結(jié)果如圖19所示,圖中選取三嶼互通路基范圍內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行觀測,以路基左邊緣為水平位置零點(diǎn),在三嶼互通路基施工后,由于盤嶼路基的填筑,使得三嶼路面產(chǎn)生明顯變形,由于右側(cè)盤嶼路路基填土較高,因此三嶼路面位移從左到右逐漸遞增,最大水平位移和豎向位移分別為5.01cm和4.68cm,左右路面水平位移差和豎向位移差分別為3.71cm和4.43cm,位移差較大容易導(dǎo)致路面開裂和不均勻沉降。因此,建議若條件允許,兩個項(xiàng)目的路基也應(yīng)同時進(jìn)行施工,避免后期施工路基對前期施工的路基路面產(chǎn)生不良影響。若無法同時施工,認(rèn)為后期施工的盤嶼路,應(yīng)盡量采用剛性樁進(jìn)行軟基處理,減少沉降。

        3.4 FK1+068斷面

        FK1+068斷面三嶼連接線為路基,填土高度達(dá)到8.3m,采用擠密砂樁進(jìn)行軟基處理。兩側(cè)盤嶼路標(biāo)高較矮,左側(cè)填高4.0m,右側(cè)6.2m,由于淤泥較薄,軟基處理方式采用高壓旋噴樁和擠密砂樁。處理后經(jīng)驗(yàn)算,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.938,如圖20所示,此斷面穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

        圖20 FK1+068邊坡穩(wěn)定性

        采用軟基處理后路基對堤壩影響的計算結(jié)果,如圖21所示,堤壩的水平位移和豎向位移最大值分別為0.22cm和0.78cm,方向分別為水平向右和垂直向上。既有堤壩位移在容許范圍內(nèi),認(rèn)為此斷面處理方案可行。

        圖21 填土下堤壩的位移

        4 結(jié)語

        本文通過采用二維巖土有限元軟件Geo-studio的模擬,對新建三嶼互通連接線橋梁、路基和兩側(cè)新建盤嶼路路基之間的相互影響,以及新建路基對既有云淡大橋和堤壩的影響進(jìn)行計算分析,結(jié)論如下:

        (1)FK0+885、FK0+945、FK1+007 和 FK1+068 四個斷面在軟基處理后,路堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.691、2.346、2.09和1.938,均滿足規(guī)范要求。

        (2)FK0+885斷面盤嶼路路基在軟基處理后對既有云淡大橋產(chǎn)生的最大水平位移值為0.32cm,認(rèn)為方案可行,影響較小。

        (3)FK0+885斷面中,先施工盤嶼路路基,后施工三嶼特大橋的情況下,三嶼特大橋橋墩最大水平位移和最大豎向位移分別為0.012cm和0.152cm;先施工三嶼特大橋,后施工盤嶼路路基情況下,三嶼特大橋橋墩最大水平位移和最大豎向位移分別為0.418cm和0.188cm。水平位移后者是前者的34.8倍,豎向位移后者也比前者大了23.7%。因此,為避免盤嶼路后期施工路基對三嶼特大橋橋墩產(chǎn)生影響,應(yīng)必須先施工路基,再施工三嶼特大橋。

        (4)FK0+945、FK1+007和FK1+068三個斷面的路堤填土對既有堤壩產(chǎn)生的最大水平位移分別為0.76cm、0.54cm和0.22cm,最大豎向位移分別為0.67cm、0.84cm和0.78cm。認(rèn)為計算的位移值在安全范圍內(nèi),方案可行。

        (5)FK1+007斷面中,在三嶼互通段落先施工完畢后再施工盤嶼路路基情況下,連接線路面最大水平位移和豎向位移分別為5.01cm和4.68cm,左右路面水平位移差和豎向位移差分別為3.71cm和4.43cm,位移差較大容易導(dǎo)致路面開裂和不均勻沉降。建議若條件允許,兩個項(xiàng)目的路基也應(yīng)同時進(jìn)行施工,或盤嶼路后期施工采用剛性樁進(jìn)行軟基處理。

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