并橋位新建橋梁對既有橋梁樁基的影響分析

姜金鳳

(山東鐵路投資控股集團有限公司 濟南 250102)

隨著交通建設的迅猛發展，跨江跨河長大橋梁層出不窮。由于通道資源有限，為既符合橋下通航防洪要求，又滿足適宜建橋需要，越來越多的跨江河湖泊等障礙物的長大橋梁采用并橋位建設方案，即新建橋梁與既有橋梁共走廊建設，新舊橋梁橋軸線平行布設、橋跨對孔設置。并橋位建橋時，新建橋梁與既有橋梁間距離往往較小，如何評價新建橋梁基礎對鄰近既有橋梁基礎的影響，已成為人們關注的重要問題。

目前國內外針對新建構筑物對既有構筑物的影響研究主要集中在隧道開挖、建筑基礎實施、下穿道路等新構筑物實施對既有構筑物基礎的受力變形模擬與監測等方面[1-4]，并橋位建設新橋對既有橋梁樁基影響的研究較少，本文以某新建黃河公路大橋為工程背景，采用巖土數值分析軟件，分析新建橋梁對臨近既有橋梁樁基變形及受力的影響。

1 工程背景

某既有黃河公路大橋于20世紀90年代建成通車，大橋路幅寬18.5 m，雙向四車道，其中主橋為75 m+7×120 m+75 m預應力混凝土連續剛構-連續梁橋，引橋為40，50 m預制T梁。近年來，隨著交通量的持續增長及汽車荷載的不斷增大，既有橋已不能滿足交通需求，為此擬在既有橋下游建設1座新的黃河大橋，新建橋與既有橋道路中心線間距30 m，橋面凈距4 m，橋梁孔跨布置按防洪主管部門要求并考慮新舊橋建成后協調性，采用與既有橋孔跨布置相同的中央索面預應力混凝土箱梁部分斜拉橋，橋面寬33.5 m，設計為雙向六車道一級公路。

主橋段位于黃河主河槽及兩岸河漫灘，陸域表部主要為①大層種植土、素填土，水域為粉砂，層厚1.0～3.5 m；上部主要為②大層全新統軟塑～可塑狀粉質黏土、松散～稍密狀粉土、粉砂，層厚8.3～17.3 m；中部主要為③大層全新統可塑狀粉質黏土、中密～密實狀粉土、粉細砂為主，層厚19.4～29.8 m；底部主要為④大層上更新統硬塑～堅硬狀粉質黏土、密實狀粉土及粉細砂，埋深34.4～44.4 m。

新建橋梁主墩基礎采用鉆孔灌注群樁基礎，承臺頂高程+54.3 m，埋入河床面以下2 m，承臺縱橫橋向尺寸為18.2 m×23.2 m，厚5 m，采用20根直徑2.0 m的鉆孔灌注樁，樁長92 m。既有橋主墩采用高樁承臺，承臺頂標高61.5 m，承臺縱橫橋向尺寸為11.2 m×29.2 m，厚4 m，采用10根直徑2.0 m混凝土鉆孔灌注樁，樁長82.5 m。新舊承臺間間凈距3.5 m，高差7.2 m，最小樁間距9.25 m，樁底標高相差17.7 m。既有樁基與新建樁基立面關系見圖1，平面關系見圖2。

圖1 既有樁基與新建樁基立面關系(單位：尺寸，cm；高程，m)

圖2 既有樁基與新建樁基平面關系(單位：cm)

2 有限元模擬

2.1 計算模型

采用巖土工程數值分析軟件midas-GTS建立樁基-承臺-土層數值分析模型，為減少尺寸邊界效應對計算結果的影響[5]，模型長、寬、高分別取100，80，150 m?？紤]到實際工程特別是土層結構、樁基承臺和上部結構的復雜性，實際建模中進行了適當的簡化。模型的構建主要含有既有承臺樁基結構和新建承臺樁基結構的的數值分析模型[6-8]，以重點考察新建橋梁樁基對既有橋梁樁基的影響。模型中樁基、承臺及土層均采用實體單元模擬，樁基與土層間接觸關系采用界面單元模擬，模型共劃分土體單元43 686個、節點54 860個，分析模型見圖3。

圖3 樁-土-承臺數值分析模型

2.2 土層模擬

新建橋承臺頂標高為+54.3 m，既有橋承臺頂標高為+61.5 m。由地勘資料可知，其下土層依次包括：粉土、黏土、粉質黏土、中砂、細砂和粉砂。土層采用各向同性摩爾-庫侖模型模擬。通過設置參數對土層進行簡化模擬，輸入土層參數為地勘資料提供的地質參數，主要包括：壓縮模量、天然重度、天然孔隙比、黏聚力、內摩擦角等，輸入各層土主要物理性質參數見表1。

表1 巖土計算參數

2.3 樁基礎模擬

樁基礎承臺與基樁均采用實體模擬[9]，基樁混凝土強度等級為C35，彈性模量取3.15×104MPa，承臺為C40，彈性模量取3.25×104MPa，采用理想彈性本構模型模擬。同時采用界面單元模擬樁土之間的接觸。承臺以上結構主要為上部結構箱梁及墩柱，實際模擬中將墩柱及混凝土箱梁及其承擔荷載作為換算均布荷載施加在承臺頂面。

2.4 邊界條件與荷載

土層頂面自由，在X方向約束垂直于X軸兩側節點位移，在Y方向約束垂直于Y軸兩側面節點位移；同時約束垂直于Z軸地面X、Y、Z方向位移。整個數值模擬中，為獲得數值收斂和實際加載條件，先施加土體自重，后施加既有橋樁基礎自重及上部結構荷載以模擬既有橋對初始應力場的影響；最后將新建樁基礎、墩柱及橋梁上部結構荷載按施工順序施加在相應的承臺上以模擬新建橋施工過程。施加荷載見表2。

表2 新建橋與既有橋承臺頂處施加荷載 kN

3 計算結果

3.1 基礎變形

既有橋承臺不利工況下豎向變形見圖4。

圖4 既有橋承臺豎向變形(單位：m)

由圖4可見，新建橋建成后，在其恒載及運營活載共同作用時的最不利工況下，新建橋梁引起的既有橋承臺靠近新建橋側豎向位移增量最大為3.1 cm，遠離新建橋側位移增量為最大0.4 cm，平均沉降值增量最大為2.7 cm，橫向傾斜度增量最大為1/1 081。

既有橋樁基豎向變形見圖5。

圖5 既有橋樁基豎向變形(單位：m)

由圖5可見，既有橋基樁最不利工況下靠近新橋側樁基沉降值增量為2.9 cm，遠離側沉降值增量為0.7 cm，基樁沉降以下部土層壓縮為主，樁自身壓縮變形較小。

既有樁基橫橋向、縱橋向變形分別見圖6、圖7。

圖6 既有橋樁基橫向變形(單位：m)

圖7 既有橋樁基縱向變形(單位：m)

由圖6、圖7可見，既有橋基樁基橫橋向最大變形增量為1.2 cm，縱橋向最大變形增量為0.6 mm。

施工期既有橋基礎變形影響見表3。

表3 施工期既有橋基礎變形累計值 mm

從表3結果來看，新建橋上部結構施工后既有橋基礎平均沉降值增量為2.7 cm。由于新建橋上部結構各墩同步施工且各墩地質情況基本一致，可以認為新建橋成橋及運營后既有橋各墩沉降值一致，為均勻沉降。而在施工期既有橋可能發生的不均勻沉降主要由各墩臺施工進度不一導致，最大可能不均勻沉降值為1.4 cm，產生的橋面最大附加縱坡為0.012%，該值滿足規范中相鄰墩臺不均勻沉降差值不應使橋面形成0.2%附加縱坡的要求。同時以該沉降值及橫向位移值對既有橋進行承載能力及短暫狀況應力計算，橋梁結構受力滿足設計及規范要求。

3.2 基礎受力

新建橋梁恒載及運營期汽車荷載對場地土體產生壓縮變形，并會對臨近的既有橋樁基產生負摩阻力，負摩阻力使樁身受力增加，對結構安全不利。通過對比新建橋建設前后既有橋樁基礎樁身內力的影響變化，可知樁身附加軸力變化幅值最大為1 462 kN。表4給出了靠近新建橋側，既有橋1、3、5號樁設計樁身軸力、樁身附加軸力及設計單樁承載力情況。

表4 既有橋樁基承載力 kN

由表4可知，施工階段及運營后既有橋單樁軸力仍小于單樁設計承載力，滿足規范要求。

既有橋在新建橋建成運營后其樁身最大應力發生在角樁樁身頂部，最大壓應力為8.68 MPa(受壓)，其余各樁樁身應力在3.5～5 MPa(受壓)；既有橋承臺下緣應力為1.18 MPa(受拉)、上緣應力2.36 MPa(受壓)。承臺、樁基應力均滿足規范要求。

4 結語

本文以某新建黃河公路大橋為工程背景，采用巖土數值分析軟件進行數值模擬，探討了并橋位新建橋梁樁基對既有橋梁樁基變形及內力的影響，得到結論如下。

1) 在最不利工況下，新建橋梁樁基對既有橋靠近新橋側樁基豎向位移增量影響最大，達2.9 cm，而運營期既有橋平均沉降值為2.7 cm，最大橫橋向變形1.2 cm。施工期不均勻沉降為1.4 cm，不均勻沉降引起的附加縱坡及結構受力滿足規范限值要求。

2) 新橋建設增加了既有橋周邊土體沉降，導致既有橋樁基受力增大10%，按規范檢算后表明，既有橋單樁累計受力仍小于單樁設計承載力，滿足規范要求。

總體來看并橋位建設新橋對既有橋存在一定影響，施工過程中應合理安排工期，各墩臺應保持同步施工，避免施工進度不一導致既有橋各墩臺不均勻沉降過大，從而保證安全運營。