道路改擴建中擬建橋梁對既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響

(重慶市南川區(qū)公路工程質(zhì)量監(jiān)督檢查站 重慶 408400)

引言

近年來，我國交通事業(yè)發(fā)展迅速，道路建設(shè)及改建工程逐年增加。當(dāng)前，由于城市化加劇及交通量的迅速增長，既有城市道路已無法與實際需求相匹配[1]。對于此類問題的產(chǎn)生，主要有兩個原因：一是在進行城市交通規(guī)劃過程中缺乏精確的預(yù)測，導(dǎo)致眾多城市道路交通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期，；二是超載現(xiàn)象無法遏制，致使很多道路發(fā)生車轍、裂縫坑槽等早期病害，從而大大縮短其服務(wù)壽命[2-5]。因此，對一些不能滿足要求的既有城市道路進行改擴建勢在必行。因此，對一些不能滿足要求的既有城市道路進行改擴建勢在必行。

城市道路改擴建工程相比高速公路有很大的差異，涉及到對周圍既有構(gòu)筑物的影響[6-7]。所以，合理分析、精確評估城市道路改擴建過程對既有構(gòu)筑物的影響非常重要。本文以某市道路改擴建工程為依托，分析道路改擴建中擬建橋梁對既有橋梁的影響并對其結(jié)構(gòu)安全進行評估。

一、工程概況

改擴建路段于2004年完工，約9.43km長，其定位為城市主干道，路幅為規(guī)范規(guī)定的38-41m，雙向5-6車道，設(shè)計時速60km/h。此次改造主要針對該路段進行拓寬處理，按規(guī)劃紅線寬度41m，雙向6車道拓寬改造，為城市主干道Ⅰ級。

道路拓寬在橋梁上進行，全長520米，擬建橋梁橋跨布置與既有橋梁相互對應(yīng)設(shè)置。擬建橋梁下部結(jié)構(gòu)與既有橋墩保持一致，上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆箱梁、預(yù)制箱梁及預(yù)制吊裝小箱梁等結(jié)構(gòu)形式，單幅采用雙柱式橋墩，橋墩蓋梁為變截面預(yù)應(yīng)力蓋梁，橋墩墩柱直徑為1.8 m，樁基直徑為2.0 m，如圖1所示。橋墩均采用支架現(xiàn)澆，樁基采用鉆孔灌注嵌巖樁，嵌入中風(fēng)化巖層不小于3倍樁徑，巖石飽和單軸極限抗壓強度不小于6 Mpa。

圖1 典型橫斷面圖

二、數(shù)值計算模型及參數(shù)選擇

本文采用midas civil有限元軟件對新建和既有樁基以及計算范圍內(nèi)的土體采用三維實體單元計算，樁基護壁采用三維殼體單元計算。考慮到三維模型在計算過程中的精度要求以及計算工作量偏大，所以本文在計算過程中對相關(guān)計算范圍進行了一定的約束。樁基礎(chǔ)橫向、縱向均沿影響范圍向外擴展25m，樁底向下擴展25m，如圖2所示。

本文計算中所涉及的荷載主要包括：結(jié)構(gòu)自重、擬建樁基和既有樁基開挖過程中產(chǎn)生的圍巖釋放荷載、既有橋梁使用產(chǎn)生的地面超載(78800KN)、擬建樁基使用產(chǎn)生的地面超載(12660KN)。

本文計算的邊界條件設(shè)置如下：以地表為自由面，豎直方向Z方向的自由度受到計算模型的底面約束，X、Y方向的自由度由計算模型側(cè)面約束。

圖2 三維有限元模型

計算范圍內(nèi)的巖層主要以土層和中風(fēng)化砂巖為主。有限元計算采用的材料參數(shù)如表1 所示。

表1 計算參數(shù)選取值表

三、結(jié)果分析

(一)擬建樁基逐層開挖及澆筑對土體的影響

圖3為各個階段模擬擬建樁基逐層開挖及澆筑對土體影響云圖，由圖可知，隨著擬建樁基逐層開挖和澆筑，對周邊土體產(chǎn)生了一定的變形。在樁基施工開挖過程中，土體最大變形產(chǎn)生4.58mm，容易引起既有橋梁結(jié)構(gòu)的安全問題。

擬建樁基開挖階段1 擬建樁基開挖階段2

擬建樁基開挖階段3 擬建樁基開挖階段4

擬建樁基澆筑階段

(二)擬建樁基逐層開挖及澆筑對既有橋梁基礎(chǔ)的影響

新建橋梁1-4號軸橋墩基礎(chǔ)與既有大橋4號墩基礎(chǔ)距離最近，樁中距約5.71m，該位置覆土較厚，約12～15m，因此，本文主要分析對既有橋4號墩基礎(chǔ)的影響。圖4為擬建樁基逐層開挖及澆筑對既有橋4號墩變形的影響云圖，由圖知，隨著擬建樁基逐層開挖步驟的增加，4號墩承臺首先產(chǎn)生較大變形，為0.911mm，隨著開挖深度的增加，4號墩最外側(cè)樁基變形逐漸增大，在第四階段開挖所引起的既有橋墩的結(jié)構(gòu)變形最大，為3.28mm。擬建樁基灌注回填，使得4號墩樁基礎(chǔ)的變形減小，最大值為3.45mm。

擬建樁基開挖階段1 擬建樁基開挖階段2

擬建樁基開挖階段3 擬建樁基開挖階段4

擬建樁基灌注階段

將擬建樁基不同開挖步驟、樁基灌注及回填土過程對既有大橋4號墩的承臺變形及樁基底變形進行了統(tǒng)計，結(jié)果見表2。并繪制了新建樁基引起土體變形的范圍圖，如圖5所示。

表2 既有大橋4號墩基礎(chǔ)不同階段變形

圖5擬建樁基施工引起土體最大變形范圍圖

由上可知，在對擬建橋梁進行基礎(chǔ)開挖時，對既有大橋4號墩周邊土體形成卸載，致使既有橋梁承臺頂在水平方向的最大變形約0.3mm，豎直方向的最大變形約0.33mm；樁基在水平方向上的最大變形約0.5mm，豎直方向上的最大變形約0.34mm。

根據(jù)工程經(jīng)驗可知，既有大橋4號墩承臺和樁基在擬建橋梁進行基礎(chǔ)開挖的過程中受到的擾動很小，基本不會對混凝土內(nèi)力重分布產(chǎn)生影響，因此建議不采用加固防范措施，但仍注意加強監(jiān)控量測。

四、結(jié)論

(1)在樁基施工開挖過程中，土體最大變形產(chǎn)生4.58mm，容易引起既有橋梁結(jié)構(gòu)的安全問題。

(2)既有大橋4號墩承臺和樁基在擬建橋梁進行基礎(chǔ)開挖的過程中受到的擾動很小，基本不會對混凝土內(nèi)力重分布產(chǎn)生影響，因此建議不采用加固防范措施，但仍注意加強監(jiān)控量測。