李 濤，張百永

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能與環(huán)保技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著時代的發(fā)展，國內(nèi)已建成各高速公路已經(jīng)難以滿足日益增長的交通流量需求。高速公路改擴(kuò)建成為“十三五”期間高速建設(shè)的重點(diǎn)任務(wù)之一。以安徽省為例，通過基于高速公路服務(wù)水平的改擴(kuò)容時機(jī)分析，滁新高速淮南至阜陽段、濟(jì)廣高速阜陽至周集段、京臺高速合徐南段、寧洛高速界首至蚌埠段、滬陜高速大顧店至葉集段等高速公路均適合在近期改擴(kuò)建。

我國城市化速度同樣發(fā)展迅猛，原來修建的高速公路逐漸被城市“包圍”，由原來的繞行式變成了穿越式。高速公路沿線設(shè)置有敏感點(diǎn)是普遍現(xiàn)象。一般高速公路通過單側(cè)、雙側(cè)改擴(kuò)建方案予以避讓。

2011年頒布的《公路安全保護(hù)條例》對公路與危險(xiǎn)品敏感點(diǎn)之間的距離提出了要求：除按照國家有關(guān)規(guī)定設(shè)立的為車輛補(bǔ)充燃料的場所、設(shè)施外，禁止在下列范圍內(nèi)設(shè)立生產(chǎn)、儲存、銷售易燃、易爆、劇毒、放射性等危險(xiǎn)物品的場所、設(shè)施：

(1)公路用地外緣起向外100 m；

(2)公路渡口和中型以上公路橋梁周圍200 m。

而前期修建的部分敏感點(diǎn)未能考慮高速公路改擴(kuò)建需求，為擴(kuò)建后的高速公路橋梁帶來了安全隱患，而采用路基進(jìn)行拼寬可以一定程度上減少這一安全隱患。目前研究大多針對于拼寬橋施工對既有橋梁的影響，而路基拼寬對既有橋梁影響方面的研究相對較少。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為寧洛高速明光至蚌埠段改擴(kuò)建工程，老橋總寬28 m，雙向四車道。上部結(jié)構(gòu)主要采用主跨25 m預(yù)制裝配式先簡支后連續(xù)小箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用1.3 m柱式墩+1.5 m摩擦樁，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，墩高約12 m，樁長38 m。

原橋設(shè)計(jì)荷載為公路I級(《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTG D60-2004)，老橋現(xiàn)狀良好。在勘測過程中發(fā)現(xiàn)某橋梁小樁號橋位處北側(cè)約200 m位置建設(shè)有儲油庫。

由于橋位大樁號側(cè)存在互通喇叭口，南側(cè)加寬將造成工程規(guī)模大幅增加，為減少工程規(guī)模，擬在北側(cè)拼寬原橋。

若采用橋梁拼寬，新建橋梁距離油庫儲油區(qū)距離僅150 m，不滿足《公路安全保護(hù)條例》要求公路橋梁周圍200 m禁止儲存易燃易爆品的要求。故研究采用路基方式拼寬原橋結(jié)構(gòu)，路基邊緣距離儲油區(qū)距離約140 m，滿足公路用地外緣距離儲存易燃易爆品處大于100 m的要求。

經(jīng)地質(zhì)勘察，項(xiàng)目地質(zhì)情況如下：

表1 地基設(shè)計(jì)參數(shù)推薦值

2 拼寬方案

2.1 總體拼寬方案

本次高速改擴(kuò)建設(shè)計(jì)為高速公路“四改八”改造，由于橋位處部分墩位填高較高，為減少對老橋現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)的影響，同時減少占地，擬采用輕質(zhì)土路基填筑拼寬部分。拼寬頂寬20.75 m，底寬26.75 m，總高度約14 m，分兩階段填筑，拼寬部分頂部擬距離原橋3 m。

由于拼寬部分路基高度較高，荷載較大，本研究重點(diǎn)是計(jì)算拼寬路基引起的地基變形對老橋原有下部結(jié)構(gòu)的影響。目前采用MIDAS-GTS NX有限元模擬相關(guān)地質(zhì)情況效果較好。

2.2 計(jì)算模型

(1)計(jì)算模擬

依據(jù)老橋?qū)嶋H地質(zhì)與橋梁設(shè)計(jì)資料，以摩爾-庫倫理論為基礎(chǔ)，采用Midas-GTS NX 2018 R1土力學(xué)有限元分析軟件，建立橋梁基礎(chǔ)與土體的聯(lián)合作用模型，模擬施工過程，分析路基拼寬施工對橋梁基礎(chǔ)的安全影響。

(2)模型尺寸及本構(gòu)關(guān)系

建立原位地基及橋梁下部結(jié)構(gòu)三維有限元模型。橋墩尺寸為：墩柱為直徑1.3 m圓形截面，墩高為11 m，柱間距7.1 m。樁基為直徑1.5 m圓形截面，樁長為38 m，按摩擦樁設(shè)計(jì)。系梁寬2.6 m，高1.5 m。重點(diǎn)關(guān)注拼寬部分施工對墩柱、樁基的影響。

(3)材料參數(shù)

墩身采用C30混凝土，樁基礎(chǔ)采用C25混凝土。拼寬部分輕質(zhì)土路基重度為7 KN/m。車輛荷載按照《公路橋涵通用規(guī)范》(JTG D60—2015)選取。土層物理力學(xué)參數(shù)據(jù)地勘報(bào)告選取。土層由上至下分別為亞粘土層、粘土層、細(xì)砂層、亞粘土層、細(xì)砂層、中砂層。

(4)有限元模型建立

在整體計(jì)算模型中，對土體的前后、左右及下底面進(jìn)行節(jié)點(diǎn)約束，上頂面為自由面。利用分層土的地質(zhì)參數(shù)和土體計(jì)算模型尺寸建立分層土的有限元模型。如圖2所示。土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)類型，橋墩墩柱采用梁單元模擬，橋墩樁基采用“梁單元+樁界面+樁端”的形式來模擬。樁與土體的摩擦作用通過摩擦接觸面(樁界面)來實(shí)現(xiàn)，樁底采用豎向彈簧支撐進(jìn)行轉(zhuǎn)角約束(樁端設(shè)定樁端承載力和彈簧剛度)。

(5)施工階段劃分

結(jié)合實(shí)際情況及具體施工過程將該模型劃分為3個施工階段，即施工階段1-原地基自然沉降；施工階段2-老橋下部結(jié)構(gòu)施工及運(yùn)營；施工階段3-新建拼寬路基施工。

圖1 新建拼寬路基MIDAS-GTSNX有限元模型

2.3 老橋樁基承載力計(jì)算

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63—2007)，結(jié)合老橋原地勘資料，驗(yàn)算地基提供土側(cè)摩阻力4 816.3 KN，基底反力1 678.2 KN，共6 494 KN。原橋樁基豎向荷載(加樁基自重與置換土重的差值)為5 824 KN，單樁承載力富余670 KN。

2.4 有限元計(jì)算結(jié)果

在Midas-GTSNX中，計(jì)算各個施工階段對墩身、樁基礎(chǔ)和周圍土體產(chǎn)生的位移和內(nèi)力，比較路基拼寬前后的墩柱沉降、水平位移及樁底反力。

(1)既有橋梁工況

原橋施工工況有限元分析結(jié)果表明，原橋樁基礎(chǔ)施工最大豎向位移5 mm，最大縱橋向位移1.5 cm，最大軸力6 503 KN(未扣除置換土重)。

(2)拼寬路基施工工況

圖2 新建拼寬路基有限元分析結(jié)果云圖

將原橋下部結(jié)構(gòu)及引起的土體位移清零后，施加輕質(zhì)土路基及車輛荷載，計(jì)算結(jié)果表明路基施工將引起土體沉降，對樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力及水平推力。路基拼寬后土體最大沉降約2.3 cm，柱頂最大沉降3.6 mm，橫橋向位移4.6 mm。樁基礎(chǔ)最大軸力8 102 KN，最大橫橋向彎矩457 KN·m。由結(jié)果可見，橫橋向彎矩相對較小可不予考慮，但比較路基拼寬前后樁基礎(chǔ)最大軸力得出路基引起樁基負(fù)摩阻力為8 102-6 503=1 599 KN>670 KN。該方案原橋單樁承載力不滿足規(guī)范要求。

2.5 方案優(yōu)化分析結(jié)果

由有限元分析結(jié)果可見，拼寬將對原橋樁基產(chǎn)生較大影響。將拼寬位置距原橋樁基距離加大可有效減小該影響。經(jīng)試算當(dāng)拼寬路基距原橋邊緣8.5 m時，路基拼寬后土體最大沉降約2.3 cm，柱頂最大沉降2.9 mm， 橫橋向位移4 mm。樁基礎(chǔ)最大軸力7 156 KN。比較路基拼寬前后樁基礎(chǔ)最大軸力得出路基引起樁基負(fù)摩阻力為7 156-6 503=653 KN<670 KN，單樁承載力滿足要求。采用輕質(zhì)土路基拼寬老橋方案可行，但需增大拼寬段與原橋的距離以減少對原橋樁基的影響。

圖3 優(yōu)化方案后有限元分析結(jié)果云圖

3 結(jié) 語

本文在實(shí)際高速公路路基拼寬橋梁工程基礎(chǔ)上，通過對該段地基、老橋下部結(jié)構(gòu)、拼寬路基建立實(shí)體有限元模型分析，得出。

(1)為減小路基拼寬對既有橋梁的影響，建議采用輕質(zhì)土路基拼寬橋梁的方案。

(2)路基填筑引起的地基沉降產(chǎn)生的負(fù)摩阻力會對老橋樁基造成較大影響，影響程度和地質(zhì)情況、拼寬路基與橋梁的距離等因素緊密相關(guān)。

(3)實(shí)際工程中，對于采用路基拼寬橋梁時，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)情況采用有限元分析計(jì)算合理確定分離距離。