饒文宇

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510507）

0 引言

道路下穿公路、鐵路橋梁結(jié)構(gòu)時，建設(shè)方案影響既有結(jié)構(gòu)安全。采用處治地基或旱橋方案穿越較為常見，業(yè)界對下穿現(xiàn)狀橋梁的研究多集中在研究荷載對結(jié)構(gòu)變形的影響。左亞飛[1]系統(tǒng)研究了新建公路工程下穿既有高速鐵路橋梁的影響；李雪峰等[2]綜述了橋梁樁基在路基荷載作用下變形規(guī)律、樁土間作用效應(yīng)等研究現(xiàn)狀。圍繞橋梁樁基受臨近堆載的影響，學(xué)術(shù)界積累了較多研究成果，李志偉[3]分析了軟土地基單雙側(cè)堆載對樁基偏移及附加彎矩的影響特征；代恒軍等[4]采用三維有限元方法模擬了地面堆載作用下臨近樁基的變形性狀；陳福全等[5]研究了單、雙排樁在地面堆載荷載作用下的樁基交互力學(xué)特性。本文系統(tǒng)探討了采用不同建設(shè)方案下穿橋梁節(jié)點設(shè)計時對既有結(jié)構(gòu)物的影響。對比實體工程監(jiān)測資料，定量分析對比了不同工況時既有橋梁結(jié)構(gòu)受影響的特性，分析了不同方案的優(yōu)劣及主要控制因素，為土地規(guī)劃、工程設(shè)計及建設(shè)單位提供參考。

1 計算分析條件

本研究采用三維有限元軟件模擬分析以下幾種下穿現(xiàn)狀橋梁節(jié)點方案：①采用路基下穿方案，地基未經(jīng)處治（M-1模型）；②采用路基下穿方案，地基經(jīng)水泥攪拌樁處治（M-2模型）；③采用旱橋處治方案（M-3模型）。建模參數(shù)見表1、表2。

表1 地質(zhì)條件參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)分析參數(shù)

2 路基方案下穿橋梁影響性分析

2.1 地基變形特性

本研究假設(shè)下穿道路采用6m高路基穿越現(xiàn)狀簡支橋，分別對比分析了原始地基條件、采用攪拌樁處治地基條件時地基的變形特性。圖1為路基方案下穿時有限元計算結(jié)果地基變形云圖。研究結(jié)果表明，不同處治方案下地基變形發(fā)展規(guī)律具有相似性。地基的變形呈馬鞍形，最大位移位于橋梁跨中處，同時路基中部變形呈對稱性，路基邊坡變形呈向外的單向性。

圖1 路基下穿方案地基變形云圖

表3為采用路基方案下穿時階段施工的地基變形計算結(jié)果。計算結(jié)果表明：①地基主要變形中豎向位移占主導(dǎo)，地基水平位移基本發(fā)生在路基邊坡范圍，盡管水平位移量相對較小但是作為引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)安全隱患的主因；②經(jīng)處治后的地基對3m以上路基方案的地基變形控制效果顯著。計算結(jié)果表明經(jīng)攪拌樁處治后，路基下穿橋梁時地基變形控制率可達50%以上。

表3 路基下穿方案地基計算變形結(jié)果

2.2 對上部結(jié)構(gòu)的影響分析

采用路基方案下穿既有橋梁時對上部結(jié)構(gòu)、下部基礎(chǔ)均有不利影響。

表4為靠近路基邊坡一側(cè)橋梁上部墩身變形和內(nèi)力計算結(jié)果。計算結(jié)果驗證了地基單側(cè)水平位移對橋梁墩身具有顯著的不利作用，墩身呈現(xiàn)整體向外推移變形的趨勢，受墩頂支座約束影響，墩身變形呈C形曲線。路基高度在3m以下時，結(jié)構(gòu)變形對其他因素的敏感性相對較小。伴隨設(shè)計路基高度超過3m，地基處治方案對于控制墩身位移、控制彎矩增量的效果顯著。

表4 路基下穿方案墩身變形、內(nèi)力計算結(jié)果

表4 （續(xù)）

對于位于路基中部的橋墩，因其變形和荷載具備對稱性，故對結(jié)構(gòu)影響有限。計算結(jié)果表明即使在6m高路基填筑的條件下，墩柱位移量不足2mm。故本研究不再將結(jié)構(gòu)兩側(cè)荷載呈對稱性的樁基作為研究重點。

2.3 對下部結(jié)構(gòu)的影響分析

采用路基下穿方案時，樁基因受地基側(cè)向荷載產(chǎn)生位移及彎矩，樁基位移最大值發(fā)生在頂部，在本研究中等值于墩柱底節(jié)點位置值，并隨樁身長度遞減至零。圖2、圖3分別為M-1、M-2模型側(cè)樁身彎矩分布曲線。研究表明，樁基彎矩有兩個極值點，分別位于軟土層以下約4m處和軟土層底，系與土層剛度變化有關(guān)。

圖2 M-1模型側(cè)樁身彎矩分布曲線

圖3 M-2模型側(cè)樁身彎矩分布曲線

樁身彎矩值受路基高度、地基處治方案影響，影響特性及機制為：①樁身彎矩與路基高度正相關(guān)；②地基處治條件將改變樁基分布條件，其原因是處治層范圍土體剛度顯著提高對樁基形成約束。本研究案例中，樁基在處治地基中最大彎矩點由原軟土層上部向下轉(zhuǎn)移至水泥攪拌樁樁底的土層區(qū)域。

表5為路基下穿方案樁身彎矩計算結(jié)果。研究表明，路基高度3m以下方案樁基內(nèi)力水平基本可控。隨路基設(shè)計高度增加，樁基彎矩計算值顯著增大，存在承載力不足或開裂風(fēng)險，此時地基處治對控制結(jié)構(gòu)內(nèi)力有一定效應(yīng)，但不及位移控制顯著。

表5 路基下穿方案樁身彎矩計算結(jié)果

3 旱橋方案下穿橋梁影響性分析

采用旱橋下穿橋梁理論上不對現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，但在旱橋單側(cè)堆土將形成不對稱荷載，間接對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。本研究分別計算了旱橋單側(cè)小范圍修筑路基、大范圍吹填土兩種工況，并與實體工程現(xiàn)場橋梁支座滑移、墩身位移的監(jiān)測結(jié)果進行反向驗證。

研究表明，采用旱橋方案下穿時，旱橋單側(cè)堆載同樣對既有橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。圖4為不同高度和范圍單側(cè)填筑時墩柱變形曲線，圖5為樁身彎矩分布曲線，研究表明其變形和受力與路基變形方案具有類似特征，即偏載是影響結(jié)構(gòu)的主要原因。

圖4 旱橋方案墩柱變形曲線

圖5 旱橋方案樁身彎矩分布曲線

表6為旱橋下穿方案結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力計算結(jié)果。由表6可知，應(yīng)重視大范圍單側(cè)堆土對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響，即使填筑高度低于3m時，樁身彎矩值增至800kN·m，并隨堆土高度增加顯著提高。

表6 旱橋下穿方案結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力計算結(jié)果

工程現(xiàn)場顯示簡支結(jié)構(gòu)支座處發(fā)生較為明顯滑移，同時支座膠體呈現(xiàn)顯著剪切變形態(tài)。吻合計算分析結(jié)果中墩身變形特征，表明支座反力形成強約束作用，不應(yīng)忽視支座位移對上部結(jié)構(gòu)安全的影響。

4 結(jié)論

綜上，可得以下結(jié)論：

（1）單側(cè)偏載是影響下穿橋梁結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵因素。

（2）無論采用路基方案或旱橋方案下穿既有橋梁，均會對結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力造成一定影響。出于結(jié)構(gòu)安全考慮，無論地基是否經(jīng)處治，合理規(guī)劃填高建議低于3m。當(dāng)規(guī)劃條件受限時，宜對建設(shè)場地進行先期填筑。

（3）大范圍單側(cè)堆土對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響不可小覷，進行土地規(guī)劃、建設(shè)施工時應(yīng)引起足夠重視。