圍墾填土對(duì)鄰近新建橋梁的影響分析

高宏偉 鄧會(huì)元 程德林

（1.西安市軌道交通集團(tuán)有限公司，西安 710016；2.東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096；3.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096；4.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088）

我國(guó)沿海地區(qū)為了緩解用地緊張壓力，充分利用沿海大面積灘涂資源，大力發(fā)展圍墾造陸工程。由于灘涂圍墾區(qū)土質(zhì)較差，軟土較厚，固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，給灘涂圍墾區(qū)工程建設(shè)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)外也出現(xiàn)了大量的圍墾區(qū)構(gòu)筑物損壞問(wèn)題，如日本的大阪關(guān)西國(guó)際機(jī)場(chǎng)由圍海造陸形成，目前已出現(xiàn)大量的不均勻沉降和結(jié)構(gòu)開(kāi)裂問(wèn)題[1]；荷蘭由于海拔較低，緊鄰海洋，從400年前就開(kāi)始大面積圍墾造陸，歷史上已出現(xiàn)大量地基不均勻沉降致使建筑物、道路、橋梁發(fā)生破壞的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響構(gòu)筑物的正常使用[2]。我國(guó)浙江、廣東等沿海圍墾區(qū)，也出現(xiàn)了一些橋墩偏移、不均勻沉降等問(wèn)題。

為了研究堆載對(duì)鄰近樁基的影響，Heyman等[3]通過(guò)在路堤側(cè)埋設(shè)試驗(yàn)樁，監(jiān)測(cè)了路堤分層填筑對(duì)鄰近試樁的側(cè)向變形和彎曲的影響。Wenz、Nicu等[4-5]開(kāi)展了軟土地表堆載對(duì)樁基影響的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，認(rèn)為堆載后軟黏土地基流動(dòng)足以使樁基發(fā)生很大變形甚至毀壞。此外，梁育瑋等[6]針對(duì)側(cè)向堆載對(duì)城際鐵路高架橋的影響進(jìn)行了有限元分析，并提出了不同堆載高度下堆載的安全距離。為了減小堆載側(cè)向變形的影響，易勇等[7]研究了不同加固方案對(duì)被動(dòng)樁受力的影響，楊生等[8]針對(duì)可門(mén)港大橋貨場(chǎng)擴(kuò)建工程堆載側(cè)向變形問(wèn)題，通過(guò)數(shù)值模擬分析了隔離樁加固技術(shù)，認(rèn)為雙排隔離樁可以顯著降低擴(kuò)建工程堆載對(duì)鄰近鐵路橋的影響。從已有研究及工程實(shí)踐可以看出，灘涂圍墾工程建設(shè)較多，堆載作用下被動(dòng)樁問(wèn)題較普遍，但是關(guān)于灘涂圍墾對(duì)新建橋梁樁基的影響研究較少，特別是圍墾工程與海堤以外橋梁施工工序?qū)π陆蛄旱挠绊憽?/p>

本文依據(jù)杭甬高速公路復(fù)線寧波段灘涂區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)，采用有限差分軟件建立三維整體模型，模擬分析灘涂圍墾與新建橋梁施工先后順序?qū)蛄簶痘挠绊懀酝晟圃O(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)此類(lèi)工程安全設(shè)計(jì)的規(guī)定。

1 工程概況

杭甬高速公路復(fù)線高架橋位于寧波東部沿海，寧波段全長(zhǎng)約79.737 km，分為一期和二期工程。一期工程?hào)|段起于威海路，止于慈溪附海，與杭州灣大橋南岸連接線相接，線路全長(zhǎng)40.757 km。

S1標(biāo)段為杭甬高速公路復(fù)線寧波段一期工程的東段工程，與圍墾工程聯(lián)系較緊密。擬建高架橋的不同區(qū)段受?chē)鷫üこ逃绊懖町愝^顯著，其中K0—K2區(qū)段位于新弘口圍墾區(qū)外側(cè)，上部為淤泥質(zhì)黏土，厚20～28 m，土層的主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層的主要物理力學(xué)參數(shù)

鄰近的海堤及圍墾工程尚未開(kāi)工。該圍墾區(qū)規(guī)劃的海堤距離線位200 m左右，根據(jù)規(guī)劃及進(jìn)度安排，該區(qū)域圍墾填土與本項(xiàng)目存在同期施工的問(wèn)題。若橋梁施工過(guò)程或施工完成后再進(jìn)行海堤施工及圍墾區(qū)大面積填土工程，會(huì)使鄰近橋梁產(chǎn)生側(cè)向變形。因此，需開(kāi)展該區(qū)段海堤施工及圍墾工程對(duì)鄰近橋梁的影響研究，提出合理的施工工序及安全設(shè)計(jì)建議。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型及參數(shù)

應(yīng)用有限差分軟件FLAC 3D對(duì)K0—K2區(qū)段橋梁樁基進(jìn)行數(shù)值建模，模型見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)值模型（單位：m）

模型中土體、混凝土材料的體積模量和剪切模量可通過(guò)彈性模量和泊松比換算得到[9]。一般情況下，彈性模量取壓縮模量的2～5倍，而對(duì)于淤泥軟土層，可直接取為壓縮模量值[10]。

本工程目前缺少現(xiàn)場(chǎng)樁基靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮到橋梁樁基為鉆孔灌注樁，接觸面上的黏聚力、內(nèi)摩擦角可取樁相鄰?fù)翆拥?0%。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，該區(qū)段橋梁樁基的樁徑為1.8 m，樁長(zhǎng)為85.5 m，樁入土長(zhǎng)度為79.5 m，后期圍墾區(qū)填土厚度為5.0 m。海堤采用拋石擠淤建成，模型材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 模型材料參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，K0—K2區(qū)段橋梁樁基為4樁群樁基礎(chǔ)（圖2，圖中D為橋梁與海堤的距離），單樁設(shè)計(jì)承載力特征值約5 000 kN。

圖2 橋墩基礎(chǔ)及鄰近海堤剖面

威海路橋梁基礎(chǔ)與鄰近擬建海堤距離取200 m。圍墾區(qū)填土厚5.0 m，重度取17.5 kN/m3，海堤頂部高程為+6.5 m，寬度為8.5 m，海堤剖面簡(jiǎn)化為梯形。地基土體、海堤和橋梁樁基均采用實(shí)體單元模擬，模型尺寸參見(jiàn)圖1。當(dāng)橋墩距離模型邊界大于30倍樁徑時(shí)，可忽略邊界的影響。本次模擬中土體材料采用Mohr‐Coulomb模型，樁身、堤壩為線彈性模型。模型的前后左右約束相應(yīng)的側(cè)向位移，底部約束豎向位移。

2.2 計(jì)算工況

由于新弘口K0—K2區(qū)段橋梁以及鄰近海堤、圍墾填土均未施工，考慮到后期橋梁施工及海堤、圍墾填土施工存在先后順序的問(wèn)題，模擬分析了3種最不利工況，考慮了距離（海堤外海側(cè)坡腳與承臺(tái)軸線間距）海堤180，200，220 m時(shí)橋梁樁基的受力變形。計(jì)算工況見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算工況

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 海堤施工和圍墾填土的影響

以工況一為例，分析距離180，200，220 m時(shí)海堤施工后圍墾填土對(duì)鄰近新建橋梁的影響，樁身變形見(jiàn)圖3。

圖3 不同橋梁與海堤距離時(shí)新建橋梁樁身變形（工況一）

由圖3可見(jiàn)：隨著距離的增加，海堤施工及圍墾填土對(duì)鄰近橋梁樁基水平位移的影響越來(lái)越小，樁身最大水平位移位于樁頂以下18～20 m深度處。僅施工海堤時(shí)，距離從180 m增大到220 m，鄰近橋墩最大水平位移從5.5 mm降低到3.1 mm，說(shuō)明從180 m之后，距離每增加20 m，鄰近樁基的最大水平位移降低了23.6%～26.2%。而圍墾填土后，樁身最大水平位移顯著增加，比海堤施工階段增加38.1%～54.8%，說(shuō)明圍墾填土對(duì)新建橋梁的影響大于海堤施工。距離從180 m增大到220 m時(shí)，每增加20 m，最終樁身最大水平位移降低了21.0%～23.7%，且距離為180～200 m時(shí)，鄰近橋墩樁基最大水平位移大于10 mm，樁頂位移也大于6 mm，不滿(mǎn)足JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中的位移控制要求。距離為220 m時(shí)，樁身最大水平位移小于10 mm，樁頂位移也小于6 mm，滿(mǎn)足位移控制要求。

3.2 施工工序的影響

考慮到橋梁基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)、海堤施工及圍墾填土等工序存在交叉，不同施工工序?qū)π陆蛄簶痘挠绊懣赡艽嬖诓町悺Ｒ虼耍?dāng)海堤距離橋墩200 m時(shí)，分析施工工序?qū)︵徑陆蛄簶痘挠绊懀煌┕すば蛳锣徑鼧蚨諛渡碜冃我?jiàn)圖4。可見(jiàn)：

1）在橋梁施工、海堤施工及圍墾填土均完成后，工況二施工工序?qū)︵徑鼧蚨沼绊懽钚。r三的施工工序?qū)︵徑鼧蚨兆畈焕凰惺┕ね曛螅r二引起的橋墩樁基最大變形分別比工況一、工況三小8.0%，18.6%。因此，建議采取工況二的施工工序。

圖4 不同施工工序下鄰近橋墩樁身變形

2）對(duì)比工況一和工況二可以看出，海堤施工完成時(shí)，工況二樁身變形大于工況一的樁身變形。由于工況一在海堤施工之前已完成橋梁上部結(jié)構(gòu)施工，即出現(xiàn)樁頂荷載，相當(dāng)于給樁基預(yù)加了軸力，而工況二樁頂無(wú)荷載，使得工況一的樁身變形小于工況二。這說(shuō)明在海堤施工階段，樁頂荷載的施加有助于提高樁身側(cè)向抗變形能力。

從工況三不同施工階段可以看出，圍墾填土完成后再施加橋梁上部荷載時(shí)，由于橋墩已出現(xiàn)了較顯著的變形，樁頂荷載施加后，出現(xiàn)了P-Δ效應(yīng)，反而加大了樁身變形，樁身最大變形增加6.6%。因此，實(shí)際施工過(guò)程中若橋墩樁基已出現(xiàn)變形，上部結(jié)構(gòu)施工時(shí)應(yīng)考慮P-Δ效應(yīng)對(duì)橋墩樁基的不利影響。

3.3 樁基變形預(yù)測(cè)分析

上文計(jì)算了幾種代表性的橋梁與海堤距離工況，下面分析距離50～250 m時(shí)3種工況樁身最大水平位移曲線（圖5）。

圖5 樁身最大水平位移隨橋梁與海堤距離變化曲線

根據(jù)圖5中不同工況下樁身最大水平位移變化曲線，可擬合得到相同形式的指數(shù)函數(shù)：

式中：y為水平位移；a為距離為0時(shí)最大變形影響系數(shù)；b為受距離影響的參數(shù)；x為距離。

同理，樁頂水平位移也可擬合成相同形式指數(shù)函數(shù)。各參數(shù)取值見(jiàn)表4。

表4 指數(shù)函數(shù)各參數(shù)取值

式（1）擬合度較高，可以很好地預(yù)測(cè)不同距離情況下3種施工工序?qū)︵徑鼧驑兜挠绊憽．?dāng)距離為120 m時(shí)，3種工況下樁身最大水平位移分別為32.84，29.59，40.15 mm；樁頂水平位移分別為29.06，15.28，30.89 mm。相應(yīng)的樁身最大水平位移比樁頂水平位移分別增加了13.0%，93.7%，30.0%。

根據(jù)JTG D63—2007，泥面處樁最大位移容許值為10 mm，但是該規(guī)范一般針對(duì)樁頂受荷的主動(dòng)樁，對(duì)于堆載作用下的被動(dòng)樁位移控制，目前尚無(wú)規(guī)范明確要求。若將樁身最大位移控制為10 mm，根據(jù)式（1）可得到3種工況下的海堤安全距離分別約為200，192，215 m。

3.4 計(jì)算結(jié)果匯總分析

不同施工工況計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同施工工況樁基位移和承臺(tái)轉(zhuǎn)角計(jì)算結(jié)果

由表5可見(jiàn)：

1）在3種工況下，隨著海堤距離的增加，樁基的水平位移、豎向位移、以及承臺(tái)轉(zhuǎn)角均減小。當(dāng)海堤距離為180～220 m時(shí)，不同工況下承臺(tái)轉(zhuǎn)角在0.004°～0.014°，轉(zhuǎn)角較小，能滿(mǎn)足工程要求。

2）當(dāng)海堤距離橋梁樁基為180 m時(shí)，3種工況計(jì)算得到的樁基最大水平位移可以達(dá)到11.9～14.8 mm，而且橋梁上部結(jié)構(gòu)在圍墾填土完成之后施工不利于樁基位移的控制。由于海堤施工及圍墾填土已使樁基產(chǎn)生側(cè)移和彎曲，最后施加樁頂荷載，會(huì)引起二次彎曲和附加水平位移。

3）當(dāng)海堤距離橋梁樁基為220 m時(shí)，3種工況下最大水平位移為7.3～9.0 mm，小于10 mm，說(shuō)明距離大于220 m時(shí)任意一種施工工序下橋梁樁基均能保持安全穩(wěn)定。

4）當(dāng)海堤距離橋梁200 m時(shí)，若橋梁上部結(jié)構(gòu)施工早于圍墾填土施工，更有利于控制填土引起的橋梁樁基的水平位移，而且位移可控制在9.2～10.0 mm；而橋梁上部結(jié)構(gòu)施工遲于圍墾填土?xí)r，樁基的水平位移會(huì)略大于10 mm，對(duì)橋梁的安全穩(wěn)定不利。

4 結(jié)論

本文以杭甬高速公路復(fù)線鄰近的圍墾工程為背景，研究圍墾工程對(duì)新建橋梁樁基的影響。通過(guò)建立模型分析了海堤施工、圍墾填土、橋梁施工不同施工工序?qū)︵徑鼧蛄簶痘a(chǎn)生的影響。主要結(jié)論如下：

1）擬建海堤距離橋梁180～220 m時(shí)，距離越遠(yuǎn)，海堤施工、圍墾填土以及橋梁上部結(jié)構(gòu)施工對(duì)鄰近橋梁樁基水平位移的影響越小；在相同施工工序情況下，海堤距離橋墩從180 m增加到220 m，每增加20 m，樁基最大水平位移減少20.4%～23.7%。

2）不同施工工序下圍墾填土的影響大于海堤施工的影響，樁身最大水平位移顯著增加。工況一中樁身最大水平位移在圍墾填土階段比海堤施工階段增加了38.1%～54.8%。

3）從工況三可以看出，樁基受周?chē)钔劣绊懚霈F(xiàn)了彎曲變形。樁頂施加荷載之后，由于P-Δ效應(yīng)樁身變形增加，且海堤距離橋梁越近，P-Δ效應(yīng)越顯著。海堤距離橋墩為180，200，220 m時(shí)，施加樁頂荷載后，樁身最大變形增量為1.0，0.7，0.7 mm，分別增加了7.2%，6.6%，8.4%。

4）在海堤施工和圍墾填土之間施工橋梁上部荷載，有利于降低橋樁的水平位移。K0—K2區(qū)段橋梁施工及新弘口圍墾區(qū)施工時(shí)，建議圍墾填土之前完成橋梁上部結(jié)構(gòu)施工，此時(shí)橋梁距離海堤的安全距離可控制在200 m。