饶文宇

广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司

摘 要：分别采用路基或旱桥设计方案下穿既有桥梁节点，研究不同设计方案对既有结构物的影响特征及发展机制。定量分析了设计方案、地基处治条件、堆载高度、堆载范围等关键影响因素，三维有限元计算结果与工程现场监测结果相吻合。研究结果表明：侧向堆载引发结构位移及内力增大，危及结构安全。采用路基方案或旱桥方案一定程度上均存在局限性。统筹综合规划、合理分期开发、谨慎确定建设方案是控制下穿节点方案的关键。

关键词：侧向堆载;桥梁下穿;软土路基;土地开发;

作者简介：饶文宇（1991—），男，江西新干人，硕士，工程师，研究方向为路桥工程、岩土工程。;

0 引言

道路下穿公路、铁路桥梁结构时，建设方案影响既有结构安全。采用处治地基或旱桥方案穿越较为常见，业界对下穿现状桥梁的研究多集中在研究荷载对结构变形的影响。左亚飞[1]系统研究了新建公路工程下穿既有高速铁路桥梁的影响；李雪峰等[2]综述了桥梁桩基在路基荷载作用下变形规律、桩土间作用效应等研究现状。围绕桥梁桩基受临近堆载的影响，学术界积累了较多研究成果，李志伟[3]分析了软土地基单双侧堆载对桩基偏移及附加弯矩的影响特征；代恒军等[4]采用三维有限元方法模拟了地面堆载作用下临近桩基的变形性状；陈福全等[5]研究了单、双排桩在地面堆载荷载作用下的桩基交互力学特性。本文系统探讨了采用不同建设方案下穿桥梁节点设计时对既有结构物的影响。对比实体工程监测资料，定量分析对比了不同工况时既有桥梁结构受影响的特性，分析了不同方案的优劣及主要控制因素，为土地规划、工程设计及建设单位提供参考。

1 计算分析条件

本研究采用三维有限元软件模拟分析以下几种下穿现状桥梁节点方案：①采用路基下穿方案，地基未经处治（M-1模型）；②采用路基下穿方案，地基经水泥搅拌桩处治（M-2模型）；③采用旱桥处治方案（M-3模型）。建模参数见表1、表2。

表1 地质条件参数 下载原图

表2 结构分析参数 下载原图

2 路基方案下穿桥梁影响性分析

2.1 地基变形特性

本研究假设下穿道路采用6m高路基穿越现状简支桥，分别对比分析了原始地基条件、采用搅拌桩处治地基条件时地基的变形特性。图1为路基方案下穿时有限元计算结果地基变形云图。研究结果表明，不同处治方案下地基变形发展规律具有相似性。地基的变形呈马鞍形，最大位移位于桥梁跨中处，同时路基中部变形呈对称性，路基边坡变形呈向外的单向性。

表3为采用路基方案下穿时阶段施工的地基变形计算结果。计算结果表明：①地基主要变形中竖向位移占主导，地基水平位移基本发生在路基边坡范围，尽管水平位移量相对较小但是作为引发桥梁结构安全隐患的主因；②经处治后的地基对3m以上路基方案的地基变形控制效果显著。计算结果表明经搅拌桩处治后，路基下穿桥梁时地基变形控制率可达50%以上。

图1 路基下穿方案地基变形云图 下载原图

表3 路基下穿方案地基计算变形结果 下载原图

2.2 对上部结构的影响分析

采用路基方案下穿既有桥梁时对上部结构、下部基础均有不利影响。

表4为靠近路基边坡一侧桥梁上部墩身变形和内力计算结果。计算结果验证了地基单侧水平位移对桥梁墩身具有显著的不利作用，墩身呈现整体向外推移变形的趋势，受墩顶支座约束影响，墩身变形呈C形曲线。路基高度在3m以下时，结构变形对其他因素的敏感性相对较小。伴随设计路基高度超过3m，地基处治方案对于控制墩身位移、控制弯矩增量的效果显著。

表4 路基下穿方案墩身变形、内力计算结果 下载原图

下载原表

对于位于路基中部的桥墩，因其变形和荷载具备对称性，故对结构影响有限。计算结果表明即使在6m高路基填筑的条件下，墩柱位移量不足2mm。故本研究不再将结构两侧荷载呈对称性的桩基作为研究重点。

2.3 对下部结构的影响分析

采用路基下穿方案时，桩基因受地基侧向荷载产生位移及弯矩，桩基位移最大值发生在顶部，在本研究中等值于墩柱底节点位置值，并随桩身长度递减至零。图2、图3分别为M-1、M-2模型侧桩身弯矩分布曲线。研究表明，桩基弯矩有两个极值点，分别位于软土层以下约4m处和软土层底，系与土层刚度变化有关。

桩身弯矩值受路基高度、地基处治方案影响，影响特性及机制为：①桩身弯矩与路基高度正相关；②地基处治条件将改变桩基分布条件，其原因是处治层范围土体刚度显著提高对桩基形成约束。本研究案例中，桩基在处治地基中最大弯矩点由原软土层上部向下转移至水泥搅拌桩桩底的土层区域。

图2 M-1模型侧桩身弯矩分布曲线 下载原图

表5为路基下穿方案桩身弯矩计算结果。研究表明，路基高度3m以下方案桩基内力水平基本可控。随路基设计高度增加，桩基弯矩计算值显著增大，存在承载力不足或开裂风险，此时地基处治对控制结构内力有一定效应，但不及位移控制显著。

表5 路基下穿方案桩身弯矩计算结果 下载原图

3 旱桥方案下穿桥梁影响性分析

采用旱桥下穿桥梁理论上不对现状结构产生影响，但在旱桥单侧堆土将形成不对称荷载，间接对结构产生不利影响。本研究分别计算了旱桥单侧小范围修筑路基、大范围吹填土两种工况，并与实体工程现场桥梁支座滑移、墩身位移的监测结果进行反向验证。

研究表明，采用旱桥方案下穿时，旱桥单侧堆载同样对既有桥梁结构产生影响。图4为不同高度和范围单侧填筑时墩柱变形曲线，图5为桩身弯矩分布曲线，研究表明其变形和受力与路基变形方案具有类似特征，即偏载是影响结构的主要原因。

表6为旱桥下穿方案结构位移、内力计算结果。由表6可知，应重视大范围单侧堆土对结构内力影响，即使填筑高度低于3m时，桩身弯矩值增至800kN·m，并随堆土高度增加显著提高。

图4 旱桥方案墩柱变形曲线 下载原图

图5 旱桥方案桩身弯矩分布曲线 下载原图

表6 旱桥下穿方案结构位移、内力计算结果 下载原图

工程现场显示简支结构支座处发生较为明显滑移，同时支座胶体呈现显著剪切变形态。吻合计算分析结果中墩身变形特征，表明支座反力形成强约束作用，不应忽视支座位移对上部结构安全的影响。

4 结论

综上，可得以下结论：

(1）单侧偏载是影响下穿桥梁结构安全性的关键因素。

(2）无论采用路基方案或旱桥方案下穿既有桥梁，均会对结构变形和内力造成一定影响。出于结构安全考虑，无论地基是否经处治，合理规划填高建议低于3m。当规划条件受限时，宜对建设场地进行先期填筑。

(3）大范围单侧堆土对结构内力影响不可小觑，进行土地规划、建设施工时应引起足够重视。

参考文献

[1] 左亚飞.新建公路工程下穿既有高速铁路桥梁影响的研究[D].北京：北京交通大学，2016.

[2] 李雪峰，张军辉，郑健龙.路基堆载下软土侧移对桥台桩基影响研究综述[J].路基工程，2011(1):12-15,18.

[3] 李志伟.软土地基邻近堆载对桥梁桩基偏位的影响研究[J].岩土力学，2013,34(12):3594-3600.

[4] 代恒军，梁志荣，赵军，等.地面堆载作用下邻近桩基变形的三维数值分析[J].岩土工程学报，2010,32(S2):220-223.

[5] 陈福全，杨敏.地面堆载作用下邻近桩基性状的数值分析[J].岩土工程学报，2005(11):51-55.

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