某高速公路路基拼寬橋梁方案研究

李 濤，張百永

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節能與環保技術及裝備交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著時代的發展，國內已建成各高速公路已經難以滿足日益增長的交通流量需求。高速公路改擴建成為“十三五”期間高速建設的重點任務之一。以安徽省為例，通過基于高速公路服務水平的改擴容時機分析，滁新高速淮南至阜陽段、濟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建。

我國城市化速度同樣發展迅猛，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。高速公路沿線設置有敏感點是普遍現象。一般高速公路通過單側、雙側改擴建方案予以避讓。

2011年頒布的《公路安全保護條例》對公路與危險品敏感點之間的距離提出了要求：除按照國家有關規定設立的為車輛補充燃料的場所、設施外，禁止在下列范圍內設立生產、儲存、銷售易燃、易爆、劇毒、放射性等危險物品的場所、設施：

(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未能考慮高速公路改擴建需求，為擴建后的高速公路橋梁帶來了安全隱患，而采用路基進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 項目概況

本項目為寧洛高速明光至蚌埠段改擴建工程，老橋總寬28 m，雙向四車道。上部結構主要采用主跨25 m預制裝配式先簡支后連續小箱梁，下部結構采用1.3 m柱式墩+1.5 m摩擦樁，鉆孔灌注樁基礎，墩高約12 m，樁長38 m。

原橋設計荷載為公路I級(《公路橋涵設計通用規范》JTG D60-2004)，老橋現狀良好。在勘測過程中發現某橋梁小樁號橋位處北側約200 m位置建設有儲油庫。

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

若采用橋梁拼寬，新建橋梁距離油庫儲油區距離僅150 m，不滿足《公路安全保護條例》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構，路基邊緣距離儲油區距離約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。

經地質勘察，項目地質情況如下：

表1 地基設計參數推薦值

2 拼寬方案

2.1 總體拼寬方案

本次高速改擴建設計為高速公路“四改八”改造，由于橋位處部分墩位填高較高，為減少對老橋現有橋梁結構的影響，同時減少占地，擬采用輕質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，本研究重點是計算拼寬路基引起的地基變形對老橋原有下部結構的影響。目前采用MIDAS-GTS NX有限元模擬相關地質情況效果較好。

2.2 計算模型

(1)計算模擬

依據老橋實際地質與橋梁設計資料，以摩爾-庫倫理論為基礎，采用Midas-GTS NX 2018 R1土力學有限元分析軟件，建立橋梁基礎與土體的聯合作用模型，模擬施工過程，分析路基拼寬施工對橋梁基礎的安全影響。

(2)模型尺寸及本構關系

建立原位地基及橋梁下部結構三維有限元模型。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，按摩擦樁設計。系梁寬2.6 m，高1.5 m。重點關注拼寬部分施工對墩柱、樁基的影響。

(3)材料參數

墩身采用C30混凝土，樁基礎采用C25混凝土。拼寬部分輕質土路基重度為7 KN/m。車輛荷載按照《公路橋涵通用規范》(JTG D60—2015)選取。土層物理力學參數據地勘報告選取。土層由上至下分別為亞粘土層、粘土層、細砂層、亞粘土層、細砂層、中砂層。

(4)有限元模型建立

在整體計算模型中，對土體的前后、左右及下底面進行節點約束，上頂面為自由面。利用分層土的地質參數和土體計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)來實現，樁底采用豎向彈簧支撐進行轉角約束(樁端設定樁端承載力和彈簧剛度)。

(5)施工階段劃分

結合實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-老橋下部結構施工及運營；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 老橋樁基承載力計算

根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG D63—2007)，結合老橋原地勘資料，驗算地基提供土側摩阻力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 有限元計算結果

在Midas-GTSNX中，計算各個施工階段對墩身、樁基礎和周圍土體產生的位移和內力，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果表明，原橋樁基礎施工最大豎向位移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果云圖

將原橋下部結構及引起的土體位移清零后，施加輕質土路基及車輛荷載，計算結果表明路基施工將引起土體沉降，對樁基產生負摩阻力及水平推力。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。樁基礎最大軸力8 102 KN，最大橫橋向彎矩457 KN·m。由結果可見，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最大軸力得出路基引起樁基負摩阻力為8 102-6 503=1 599 KN>670 KN。該方案原橋單樁承載力不滿足規范要求。

2.5 方案優化分析結果

由有限元分析結果可見，拼寬將對原橋樁基產生較大影響。將拼寬位置距原橋樁基距離加大可有效減小該影響。經試算當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。樁基礎最大軸力7 156 KN。比較路基拼寬前后樁基礎最大軸力得出路基引起樁基負摩阻力為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 優化方案后有限元分析結果云圖

3 結 語

本文在實際高速公路路基拼寬橋梁工程基礎上，通過對該段地基、老橋下部結構、拼寬路基建立實體有限元模型分析，得出。

(1)為減小路基拼寬對既有橋梁的影響，建議采用輕質土路基拼寬橋梁的方案。

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

(3)實際工程中，對于采用路基拼寬橋梁時，應結合地質情況采用有限元分析計算合理確定分離距離。