李梅芳 豐月華 夏華盛

(浙江公路水運工程咨詢有限責任公司,浙江 杭州 310006)

1 引言

近年來,我國交通運輸事業(yè)快速發(fā)展,公路、鐵路、水運里程持續(xù)增長,交通網(wǎng)絡(luò)日臻完善。然而,受到國土空間規(guī)劃和自然環(huán)境的限制,許多新建項目都涉及鄰近開挖施工的問題。開挖施工引起的土體地層擾動,將對鄰近橋梁樁基、路基產(chǎn)生附加內(nèi)力和變形[1-5],嚴重時甚至引起結(jié)構(gòu)破壞、路基失穩(wěn)等事故。因此,國內(nèi)外學(xué)者對此問題開展了廣泛的研究:魏麗敏等[6]針對浙江省寧波北站工程,結(jié)合現(xiàn)場原型試驗及數(shù)值分析對深厚軟土地區(qū)無支護基坑開挖對鄰近高鐵橋梁樁基變形與內(nèi)力的影響進行了分析,認為鄰近開挖將劣化樁基工作性能,并探討了基坑寬度、邊緣凈距等因素對鄰近樁基的影響規(guī)律;喬然等[7]結(jié)合浙江省寧波某新建河道下穿杭深高鐵工程,分析河道開挖、結(jié)構(gòu)澆筑等階段對于高鐵橋梁的影響,認為下穿新建河道對橋梁影響較大,建議增加維護結(jié)構(gòu)及分區(qū)塊均勻開挖以減小河道開挖對橋梁的影響;張青青等[8]采用工程地質(zhì)調(diào)查、數(shù)值模擬等方法對開挖引起的廣州某高速公路路基塌陷事故的原因進行了分析,建議涉路基坑開挖工程采用嚴格的變形控制措施,并加強現(xiàn)場安全監(jiān)測。

本文以浙江省臺州市某公路工程菱形互通為例,對互通橋下河道改移對橋梁樁基、匝道路基的影響進行了分析與計算,并根據(jù)計算結(jié)果提出了具體建議措施,以期為同類工程提供經(jīng)驗。

2 項目背景

2.1 工程概況

浙江省臺州某公路工程全長約22.3 km,為一級公路兼顧城市快速路功能,設(shè)計速度80 km/h。改建河道位于本項目菱形互通位置,互通全長1640 m。互通中間快速路部分采用主線高架橋梁跨越地面道路。主線橋采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ),圓柱墩接蓋梁,樁徑1.6 m,立柱直徑1.5 m,樁長81.5 m,樁頂設(shè)置系梁。主線橋的左右幅外側(cè)鉆

孔灌注樁位于匝道路基的邊坡上。主線地面道路采用A2、B2、C2、D2四條匝道與交叉地面道路相接,匝道地基采用雙向水泥深層攪拌樁處理。互通平面圖見圖1,互通橫斷面見圖2。

圖1 互通平面圖

圖2 互通橫斷面圖

現(xiàn)狀泄洪河道與路線呈15°斜交,河道斜穿A2、D2匝道路基;改移泄洪河道工程位于互通主線高架橋下,在主線高架橋的第2孔接入,沿橋梁中線直至25跨再接原河道,改移長度約667 m。改移后河道頂面寬度約14～17 m不等,河床底寬4～10 m不等,深度2.5 m,邊坡邊率1∶2.0;設(shè)計改河后河床采用1.0 m厚的片石鋪底,邊坡采用30 cm厚的漿砌片石護坡。

河道改移后,主線高架橋的左右幅外側(cè)樁基位于路基(河道)坡腳范圍內(nèi),內(nèi)側(cè)樁基位于河道內(nèi),河道底標高約0.3 m,與路面頂標高相差約4.2 m,鋪砌片石底標高距路面頂標高5.2 m。匝道路基與改移河道、主線橋樁基位置見圖3。

圖3 匝道路基與改移河道、主線橋樁基位置圖

2.2 場地工程地質(zhì)條件

互通區(qū)地層主要有粉質(zhì)黏土、淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉砂層。具體土層物理力學(xué)指標見表1。

表1 互通區(qū)土層物理力學(xué)指標表

2.3 初步擬定的施工工序

為盡量縮短施工時間,項目初步擬定的施工工序如下。

1)現(xiàn)狀河道圍堰斷流清淤換填,開挖臨時溝渠;同步施工不受現(xiàn)狀原河影響的B2、C2匝道水泥攪拌樁。

2)臨時溝渠引流后,施工A2、D2匝道水泥攪拌樁;匝道路基攪拌樁施工完成后進行初步路基填筑、預(yù)壓(填筑高度0.5～0.8 m);同步施工主線橋梁樁基、下部結(jié)構(gòu)。

3)開挖新建河道、鋪筑河底。

4)施工主線橋上部結(jié)構(gòu);同步分層填筑匝道路基至設(shè)計標高。

3 河道開挖影響分析

3.1 理論分析

沿河公路路基穩(wěn)定性受河道開挖深度、水位升降、河流沖刷等多種因素影響。河道開挖本質(zhì)上是沿河道位置的土體荷載大量卸載,必然使得周邊影響區(qū)域內(nèi)的土體產(chǎn)生應(yīng)力釋放,導(dǎo)致周圍土體產(chǎn)生水平和豎向位移。在軟土地區(qū),由于地基土物理力學(xué)性質(zhì)差,近鄰開挖河道對路基穩(wěn)定性將產(chǎn)生較大影響,處理不當時可能導(dǎo)致周邊構(gòu)筑物發(fā)生變形,甚至破壞[9]。

本項目河道開挖位置為主線橋正下方,河道開挖引起的地表沉降及橫向水平位移會導(dǎo)致橋梁下部結(jié)構(gòu)不同位置產(chǎn)生不同的位移,此時將在橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生附加彎矩、剪力和軸力,當附加應(yīng)力超過一定限值,橋梁各構(gòu)件將發(fā)生開裂,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。因此,河道開挖對鄰近橋梁不利影響的控制性因素為結(jié)構(gòu)裂縫。

而河道開挖對鄰近路基的影響依據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)進行控制,規(guī)范中對軟土地區(qū)路堤提出了兩項要求:路堤穩(wěn)定性、路基工后沉降。

根據(jù)土力學(xué)基本原理,黏性土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性主要取決于黏性土的含水狀態(tài)、抗剪強度等,其破壞面基本為圓弧面,因此,有關(guān)學(xué)者分析粘性土邊坡穩(wěn)定時近似假定土坡失穩(wěn)的破壞面為圓弧滑動面,規(guī)范中亦建議軟土路堤穩(wěn)定性驗算采用圓弧滑動法。穩(wěn)定安全系數(shù)要求見表2。

表2 穩(wěn)定安全系數(shù)容許值

路基工后沉降計算采用分層總和法,主固結(jié)沉降Sc按下式計算[10]:

式中:Esi——地基中各分層的壓縮模量(kPa);

Δpi——地基中各分層中點的附加應(yīng)力(kPa)。

路基工后沉降的具體要求見表3。

表3 容許工后沉降(單位:m)

本項目匝道路基一般路段填高1～2.5 m,鄰近改移河道匝道路基段在河道開挖后路基單側(cè)臨空面高度提高至4.2 m。根據(jù)路基工后沉降計算公式可知,路基沉降由路堤中心填高及地基土物理力學(xué)性質(zhì)決定。而河道開挖對本項目匝道路堤中心填高及其地基土物理力學(xué)指標并未產(chǎn)生影響,因此,河道開挖對鄰近匝道路基影響的控制性因素并非工后沉降,而是路基臨河道開挖側(cè)穩(wěn)定性。

3.2 河道開挖對橋梁及路基影響的有限元分析

為深入分析橋下河道開挖對鄰近橋梁及路基的影響,采用Midas GTS建立有限元模型進行數(shù)值分析,幾何模型選取路基填土較高土壓力較大的最不利斷面進行模擬,鑒于施工工序中在進行河道開挖前已經(jīng)填筑部分路基,施工狀態(tài)按以下不利狀況考慮:路基填筑至路床頂,河底開挖至鋪砌設(shè)計底標高。幾何模型的x軸沿橫橋向,y軸為順橋向。材料模型中土體、樁基、系梁、蓋梁、輔助支撐等均采用實體單元進行模擬,土體采用Mohr-Coulomb模型,樁基、系梁、蓋梁、輔助支撐采用彈性模型模擬材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。幾何模型及網(wǎng)格剖分情況如圖4所示,模型左側(cè)限制水平向位移,模型右側(cè)為對稱邊界,模型底部為固定邊界,頂部為自由邊界。

圖4 幾何模型及網(wǎng)格剖分情況

分析按照下列三種工況進行計算,各工況橋梁墩柱水平及豎向位移云圖見圖5。

圖5 各工況計算結(jié)果

工況一:橋梁樁基、系梁、墩柱已經(jīng)施工完成,尚未施工蓋梁時進行河道開挖,左右幅樁基之間不設(shè)置加固輔助支撐。

工況二:蓋梁已經(jīng)施工完成情況下進行河道開挖,左右幅樁基之間不設(shè)置加固輔助支撐。

工況三:蓋梁已經(jīng)施工完成,左右幅樁基之間設(shè)置加固輔助支撐后進行河道開挖。

3.3 數(shù)值模擬分析結(jié)果

3.3.1 河道開挖對橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響

計算三種工況下的橋梁墩柱變形,根據(jù)樁身受力變形情況計算鋼筋應(yīng)力,然后驗算墩柱裂縫是否滿足規(guī)范要求。

1)位移計算結(jié)果

表4 墩柱位移計算結(jié)果(單位:cm)

2)橋梁墩柱裂縫驗算結(jié)果

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362-2018)6.4.3條進行裂縫寬度計算,計算公式如下:

式中:C1——鋼筋表面形狀系數(shù),帶肋鋼筋按1.0計;

C2——長期效應(yīng)影響系數(shù),本次計算為施工階段,無活載,按1.5計;

C3——與構(gòu)件受力有關(guān)的系數(shù),偏壓構(gòu)件,按0.75計;

c——最外排鋼筋保護層厚度,本橋c=61 mm＞50 mm,按50 mm計算;

d——縱向受拉鋼筋直徑,本橋d=28 mm;

ρte——縱向受拉鋼筋有效配筋率;

σss——鋼筋應(yīng)力;

各工況裂縫計算結(jié)果如表5所示。根據(jù)計算結(jié)果,各工況柱底截面裂縫寬度均滿足要求。

表5 各工況裂縫計算結(jié)果

3.3.2 河道開挖對匝道路基的影響

1)計算分析原理

土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性基于圓弧滑動面假定進行,目前主要采用兩種分析方法:①整體穩(wěn)定分析法。適用于均質(zhì)簡單土坡:土坡上、下兩個土面水平,坡面是一平面情況;②條分法。適用于非均質(zhì)土坡、土坡外形復(fù)雜、土坡部分在水下時使用。由于本項目邊坡位于軟土地區(qū),路堤填料為土石混合料、地基土層均為粘性土;路基邊坡最不利工況為路基填筑至路床頂,河底開挖至鋪砌設(shè)計底標高情況,因此采用圓弧條分法分析對開挖至最不利工況路基的穩(wěn)定性進行計算。

邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)F按下式計算:

式中:cqi、φqi——地基土或路堤填料的粘聚力

(kPa)和內(nèi)摩擦角(°),由快剪試驗測得;

φcqi——地基土的內(nèi)摩擦角(°),由固結(jié)快剪試驗測得;

Ui——地基平均固結(jié)度(%);

αi——土條底面與水平面交角(°);

Li——土條底面弧長(m);

WⅠi——土條地基部分重力(kN);

WⅡi——土條路堤部分重力(kN)。

2)分析結(jié)果

采用圓弧條分法對不同匝道路基處理方式下路基的穩(wěn)定性進行計算。其中,水泥攪拌樁樁徑為0.5 m,樁間距采用1.5 m,水泥攪拌樁處理后的復(fù)合地基抗剪強度采用《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)細則》(JTG/T D31-02-2013)中5.6.4進行計算,復(fù)合地基抗剪強度τps=mτp+(1-m)τs,m為置換率,經(jīng)計算,其值為0.1;τp為水泥攪拌樁抗剪強度,取為300 kPa,τs為土體強度,取為9.0 kPa;因此復(fù)合強度τps=35.1 kPa。泡沫砼換填主要起到減輕路堤重度作用,計算時其重度取為7.0 kN/m3。本項目采用的各加固措施示意圖見圖6。

圖6 橫向輔助支撐、水泥攪拌樁加固處理、泡沫砼處理范圍示意圖

不同處理方式下,匝道路基穩(wěn)定性計算結(jié)果如表6所示。

依據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》中對穩(wěn)定系數(shù)的要求,攪拌樁加固至填方路基坡腳時,匝道路堤穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求;攪拌樁加固區(qū)域擴展至河道底時,路基穩(wěn)定系數(shù)可顯著提升至1.21,能夠滿足規(guī)范要求;攪拌樁加固區(qū)域擴展至河道底,同時路基采用泡沫砼填筑(換填1 m泡沫砼),則路基穩(wěn)定系數(shù)可進一步提升至1.24。

表6 匝道路基穩(wěn)定性計算結(jié)果

4 建議施工加固措施及工序優(yōu)化

1)計算分析結(jié)果顯示,河道開挖將使鄰近橋梁下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力及位移,施工順序?qū)ζ渲涤休^大影響:先施工蓋梁,再開挖河道時橋梁墩柱產(chǎn)生的附加內(nèi)力及位移小于施工完成墩柱后即開挖河道時的內(nèi)力及變形;同時,左右幅樁基之間設(shè)置加固輔助支撐情況下進行河道開挖,橋梁樁基、立柱的變形將顯著減小。

故推薦采用左右幅樁基之間增設(shè)橫向混凝土輔助支撐的加固方案;并建議施工工序優(yōu)化為先施工完成橋梁蓋梁及左右幅樁基間橫向混凝土輔助支撐,后開挖新建河道。

2)河道兩側(cè)匝道路基穩(wěn)定系數(shù)較低,不能滿足規(guī)范中的穩(wěn)定性安全系數(shù)要求,建議水泥攪拌樁處理范圍擴大至改河斷面;建議施工工序優(yōu)化為:施工完成橋梁蓋梁及左右幅樁基間橫向混凝土輔助支撐后,開挖新建河道,待河底水泥攪拌樁加固完成再進行河底鋪筑。此外,必要時可采用泡沫砼換填路基,以進一步提高匝道路基穩(wěn)定性。

3)河道開挖、匝道路基填筑過程中建議保持橋梁立柱兩側(cè)對稱施工,以免對橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生單側(cè)擠出影響。

4)由于軟土壓縮性大,變形穩(wěn)定時間長,施工期間建議加強橋梁樁基、墩柱及軟土路基位移監(jiān)測。

5 主要結(jié)論

本文結(jié)合浙江臺州某公路工程互通區(qū)河道改移工程實例進行分析與計算,得到以下主要結(jié)論。

1)河道開挖引起上方主線橋梁產(chǎn)生附加位移及應(yīng)力,導(dǎo)致橋梁墩柱產(chǎn)生裂縫。根據(jù)計算分析結(jié)果,優(yōu)化施工時序(橋梁蓋梁施工后再進行河道開挖),增加左右幅橋梁間橫向支撐將有效控制橋梁下部結(jié)構(gòu)變形及裂縫。

2)河道開挖對鄰近匝道路基的控制性影響為路基穩(wěn)定性?？赏ㄟ^擴大水泥攪拌樁處理范圍至河道底部,或泡沫砼換填路基的方式,有效提高路基穩(wěn)定性。