软土区路基填筑对邻近桥梁桩基偏位的影响分析

■张 帆

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

桥梁桩基在堆载作用下极易出现桩基倾斜偏移，甚至导致桥梁发生垮塌[1-2]。 而位于软土地区的桥梁桩基，由于软土特殊的工程性质，在新增荷载的作用下，桥梁桩基会因软土沉降或流动变形出现偏位，影响桥梁安全。 关于堆载作用对桥梁桩基的影响，国内外学者从现场监测[3-4]、室内模型试验[5]、理论分析[6]、数值模拟[7-9]等方面均进行了不同程度的研究，包括了堆填土体规模大小、与桥梁桩基之间距离、软土区深度、桥梁桩基长度及桩顶约束等条件对桥梁偏位、位移的影响，但多基于工程问题出现后的研究，对必需要进行堆填及可采取的工程控制技术研究较少。 本文以沿海软基区新建道路下穿既有桥梁的工程为例，采用数值模拟，分析了不同工况条件下拟建道路对现状桥梁桩基础的影响；并通过计算提出可靠有效的工程控制技术，可为今后类似工程的处理提供借鉴。

1 工程概况

依托工程道路等级为二级公路兼城市主干路，设计时速为40 km/h，正常段落道路红线宽为37 m。由于条件限制，道路路基部分段落需下穿通过既有高速公路桥梁，道路红线宽44 m，下穿桥梁区间道路横断面如图1 所示。

图1 下穿桥梁区间道路横断面

结合断面图及相关资料可知：（1）拟建道路场区表层分布有淤泥质粘土，厚度约8.6 m。 且勘察资料表明，该类地基土有含水量大、孔隙比高、强度低、渗透性低等特点，且在外载作用下有较大的沉降变形，工程地质性质差。 （2）该区间内拟建道路路基宽约44 m，填筑高度约3 m，包裹了邻近高速公路桥梁桥墩，部分填筑荷载直接作用于承台上。 （3）根据相关设计资料，路基范围内的桥梁桩顶承台高3 m，平面尺寸为7.3 m×9.0 m； 承台下布设了4 根端承桩，桩长22.1 m，桩径1.8 m，桩底位于中风化花岗岩中。

综合上述情况可以看出，虽然路基范围内的高速公路桥梁桩基为端承桩， 且桩顶有承台约束，但该软土区厚约8.6 m，且上部拟建路基填高3 m，在路基荷载及后期运营条件下，软土变形是否会引起桥梁桩基出现偏位、倾斜，影响桥梁的安全性和可靠性都需要进一步进行分析。 为分析不同工况条件下拟建道路对现状桥梁桩基础的影响；提出符合实际、 可控制路基填筑对桥梁桩基影响的工程技术，本文利用PLAXIS 2D 软件，对软土区新建路基对邻近桥梁桩基偏位的影响进行了计算分析。

2 数值模型建立

为确保数值模拟计算能够准确反映工程实际情况，计算精度满足工程要求，需合理选择材料模型与几何模型等。

根据本项目的工程特点， 建立2D 平面应变有限元模型，计算模型宽140 m、深60 m，仅考虑新建路基对右侧桥梁桩基础的影响。 其中，岩土体采用15 节点三角形平面单元，岩土体材料模型采用硬化土模型（Hardening-Soil 模型），其中取主偏量加载刚度模量E50=侧限压缩刚度模量Eoed=压缩模量ES1-2，卸载/再加载刚度模量Eur=3×E50[10-11]；桥梁桩基础及承台采用线弹性模型，并根据刚度等效原则，用等效厚度的板来模拟，承台作为桩顶约束；桩土之间的粘聚力与内摩擦角通过界面强度折减因子Rinter进行折减。 模型的底部边界施加完全固定约束，左右侧边界施加水平向约束。 新建道路荷载采用实际路基填筑进行模拟。 计算参数选取如表1、2 所示，建立数值计算模型如图2 所示。

表1 软基区土层物理力学参数

表2 桥梁桩基础及承台物理力学参数

图2 数值计算模型及网格划分

3 软基处理对桥梁桩基的影响分析

3.1 软土地基处理的方案比选

根据地勘资料可知，新建道路及现状桥梁桩基础表层均位于淤泥质粘土中，软土厚度约8.6 m，其强度低、压缩性高、灵敏度大，工程性能差，在填土荷载的作用下，易出现变形位移，影响桥梁桩基安全。 为掌握软土地基上堆载对临近桥梁桩基偏位的影响，通过建立数值模型计算，就软基处理前路基填筑对桥梁桩基的影响进行计算， 计算结果如图3所示。

由图3 可知，在对软基不处理、直接进行路基填筑时， 新建路基填筑后坡脚水平位移达1.86 m，桥梁桩顶位移达12.3 mm， 不满足路基和桥梁安全要求。 因此，为确保新建道路及桥梁桩基的稳定性和安全性满足要求，在路基填筑前需对软土区的淤泥质粘土进行处理，以达到道路工程建设的要求。

图3 未进行软基处理下的路基变形及桩顶位移情况

由于本项目为下穿现状高速桥梁的道路工程，软基处理方案选择时必须考虑桥下净空条件、软基处理施工作业的挤土效应等。 根据高速桥梁的设计文件，现状桥下净空最大为9.3 m，而塑料排水板、水泥搅拌桩、CFG 桩、 管桩的施工机械高度均超过9 m，无法在本项目的软基处理中应用。 同时，该段落道路下方布设了电力、给排水等管线，为满足管线对地基承载力及路基沉降等要求， 通过综合比选，采用小直径钻孔灌注桩对现状场地区的软土进行处理。 具体处理方案如下：（1）钻孔灌注桩桩长12 m，桩身直径50 cm，桩身混凝土强度C25，按平均进入粉质粘土4～5 m 控制；钻孔灌注桩在平面上按2 m×2 m 正方形布置；桩间设级配碎石砂加筋垫层，厚度为50 cm。钻孔灌注桩横断面布置如图4 所示，平面布置如图5 所示。 （2）小直径钻孔灌注桩采用回旋钻进、泥浆护壁施工工艺，施工工艺流程包括：钻孔机就位→钻孔→注泥浆→下套管→继续钻孔→排渣→清孔→吊放钢筋笼→射水清底→插入混凝土导管→浇筑混凝土→拔出导管。 （3）为协调桩土受力变形，桩间设级配碎石砂加筋垫层，垫层厚度为50 cm，加筋材料采用高强度、低延伸率的土工格栅。 （4）为尽量减小钻孔灌注桩施工对桥梁桩基础的影响， 在距离桥桩承台1.2 m 位置四周施做一排拉森钢板桩，施工顺序先于钻孔灌注桩，钢板桩选型为拉森Ⅳ新钢板桩，施工时确保桩与桩之间互锁结构形成连锁。

图4 钻孔灌注桩软基处理断面图

图5 钻孔灌注桩软基处理平面图

3.2 软基处理对桥梁桩基的影响分析

根据建立的数值模型及选定的软基处理方法，对软基处理对桥梁桩基的影响进行分析，模拟过程为初始地应力平衡→打设桥桩→位移清零→打钻孔灌注桩。 其中， 小直径钻孔灌注桩弹性模量取28 GPa，桩长12 m，桩径0.5 m，间距2 m×2 m；小直径钻孔灌注桩施工完成后，桥梁桩顶水平位移计算结果如图6 所示。

图6 钻孔灌注桩施工对桩顶位移的影响

由图6 可以看出：在完成小直径钻孔灌注桩后，桥梁桩顶基本未发生水平位移，且由于桩顶承台的约束，前后桩基的桩顶位移相同；但桩身最大水平位移点由原来的桩顶位置变为小直径钻孔灌注桩桩端位置。 由此说明，软基处理小直径钻孔灌注桩施工对桥梁桩基影响微小，但在钻孔灌注桩施工会在软基处理的刚性桩桩端位置出现一定的挤土效应。

4 路基填筑对桥梁桩基偏位的影响分析

根据设计条件，该段路基填筑高度约3 m。为尽量减小路基填筑新增荷载对桥梁桩基偏位的影响，对比分析了软基处理完成后采用砂类土和轻质泡沫混凝土这2 种不同的路基材料填筑对桥梁桩基的影响，2 种路基填筑材料物理力学参数见表3，数值计算模型如图7 所示。

表3 路基不同填筑材料物理力学参数

图7 软基处理数值计算模型及网格划分

经计算，采用不同填筑材料填筑路基时的桩顶位移结果如图8 所示。

图8 不同路基材料填筑对桩顶位移的影响

对比图3 和图8 可知：（1）当软基处理完成后采用一般路基土（砂类土）填筑时（容重取19 kN/m3），路基填筑完成后，桩顶水平位移为5.6 mm，仅为软基处理前路基填筑桩顶水平位移的45.5 %，说明在软基区桥梁桩基附近修建路堤时，必须在软基处理后方可进行路堤填筑施工，且软基处理设计参数应根据计算确定，以确保路基填筑后的道路稳定。 （2）当采用轻质泡沫混凝土（容重取8 kN/m3）进行路基填筑时， 路基填筑完成后的桩顶水平位移为1.2 mm，与采用一般路基土填筑时的桩顶水平位移相比减少了约78.6%，说明采用轻质泡沫混凝土进行路基填筑可以有效控制路堤对桥梁桩基的影响，减荷作用明显。 （3）从图6 可以看出，当采用一般路基土填筑时，桩身水平位移最大点位于桩顶位置，当采用轻质泡沫混凝土填筑时，桩身水平位移最大点位于软基处理小直径钻孔灌装桩桩端位置，说明当填土荷载较大时，桥梁桩顶的水平位移大于桥梁桩身处钻孔灌装桩桩端位置的水平位移，当填土荷载较小时，桥梁桩身处钻孔灌装桩桩端位置的水平位移大于桥梁桩顶的水平位移，究其原因是由钻孔灌注桩施工产生的桩端挤土效应引起的。 （4）通过对上述各工况的计算分析， 得到的桩顶竖向位移最大为0.032 mm。 说明对于端承桩而言，路基填筑基本不会引起桥梁桩基竖向位移。

5 结论

通过方案比选、计算分析，依托工程下穿通过既有高速公路桥梁段，在路基填筑前采用小直径钻孔灌注桩对场地区软基进行处理，选用轻质泡沫混凝土进行路基填筑，达到了软基处理和减小路基填筑对桥梁桩基偏位影响的目的。 自2019 年12 月完成施工，截至2022 年4 月，该段道路及上方高速公路桥梁均保持正常运营状态。

基于计算分析，得出以下主要结论：（1）软基区桥梁桩基附近修建路堤时，必须在软基处理后方可进行路堤填筑施工；软基处理方案选择应综合考虑如下桥净空条件、软基深度等因素，并应基于计算确定处理方案设计参数，以确保路基填筑后的道路稳定。 （2）通过计算分析可知，软基处理小直径钻孔灌注桩施工对桥梁桩基影响微小，但钻孔灌注桩施工会在桩端位置出现一定的挤土效应。 （3）在软土区路基填筑时，应综合比选路基填筑材料，尽量减小填筑区上部新增荷载。 经计算，与砂类土填筑相比，采用轻质泡沫混凝土进行路基填筑，可以有效控制路堤对桥梁桩基的影响，减荷作用明显。 （4）对于端承桩而言，路基填筑基本不会引起桩顶竖向位移；但对于摩擦桩而言，除桩基偏位外，还应考虑路基填筑附加荷载引起桩周土体沉降对桩基产生的负摩阻力。