大面积堆载对既有高速桩基的影响分析

大面积堆载对既有高速桩基的影响分析
摘要：高速桥梁桩基附近堆载导致桥梁桩基不平衡受力，产生水平位移，甚
至损坏桩基结构。

同时堆载产生的附加荷载导致桩周土体沉降，给桥梁桩基带来
负摩阻力，降低桩基竖向承载能力，使得桩基产生附加沉降，给高速公路运营带
来安全隐患。

本文通过工程实例就高速桥梁下方大面积堆载进行理论计算，分析
堆载作用下桥梁桩基水平位移、竖向沉降，以及承载能力的影响。

并结合有限元
分析进行分析，提出建议与保护措施，旨在为涉路工程质量和安全技术评价相关
工作提供借鉴和帮助。

关键词：大面积堆载；高速桥梁；桩基位移；承载能力；沉降
1 引言
近年来全国各省份相继颁布公路路政许可涉路施工质量和安全技术评价的管
理办法[1-3]，旨在规范化管理涉路施工工程，对工程施工以及各工程之间远期冲突、安全隐患进行规避。

新建道路下穿高速公路桥梁，在桥梁下方堆填路基是经常遇
到的情况。

在大面积堆载的作用下，地基土将发生新的固结沉降，固结沉降将在
桩身产生负摩阻力，即此时周边堆载的影响间接表现为作用于桩身的附加竖向荷载，不仅将可能导致桩基无法满足竖向承载力要求，还将可能导致桩基发生附加
沉降。

同时，当墩柱周边堆载不对称时，地基土除发生竖向变形外，还将发生侧向
变形，这对邻近桩基将产生侧向挤推作用，使得桩基发生侧向挠曲变形，并带动
桥墩及上部桥面发生偏移，尤其是当桩基偏位较大时，桩身产生的附加弯矩将显
著增大，甚至导致桩基发生开裂破坏，影响桥梁的正常使用。

本文以道路下穿高
速公路桥梁段实际工程为例，从桥梁结构位移影响、桩基承载能力、桩基沉降三
个方面对填方道路下穿高速施工安全性进行分析。

2 工程概况
某地快速化立体交通升级改造工程下穿二广高速特大桥，道路扩建位于高速
桥梁左幅63#至67#墩，右幅62#至66#墩，与桥墩最小距离分别为为0.7m和
0.3m。

根据设计资料，下穿范
围内车行道采用换填土的方式，填土高度约1m，地基土体分别为软塑亚黏土，
图1 道路下穿高速桥梁示意图
图2 道路下穿断面图
3 路基下穿高速公路桥梁施工影响控制标准
参考相关规范[4,5,6]，为保证高速公路桥梁结构安全以及行车安全，结合本项
目的实际情况，建议桩基顶位移控制值按下表选取。

表1 高速公路桩基顶位移限值表(单位：mm)
监测项目横向水平
位移
纵向水
平位移
竖向位移
位移限值555
位移预警值333位移变化率预警值222
4 有限元分析
4.1 模型建立
考虑到施工过程中的空间效应以及桩基的尺寸，本评估中取长261m、宽140m，总厚度68m的土体作为考察范围。

计算模型中土体采用实体单元，不同的土层采用不同的材料模拟，土体本构关系采用修正Mohr-Coulomb屈服准则，土层、桥墩、连系梁、盖梁均采用实体单元，桩基材料采用梁单元。

模型边界条件选取除顶面取为自由边界外，其它面均采取法向约束。

表2 土的物理力学参数取值
图3 有限元模型
4.2 桥梁桩基影响分析
图4 道路施工后桥梁桩基x方向位移(mm)
图5 施工后桥梁桩基z方向位移(mm)
由上图所知，下穿道路施工至运营后，对桥梁桩基将产生一定的影响，桥梁
桩顶产生x方向（顺桥向）、z方向（竖直方向）位移。

对于x方向（顺桥向），下穿道路两外侧的桥梁桩基62-2、62-3、63-1、63-2、66-2、66-3、67-1、67-2
向道路内侧方向发生变形，桩顶最大位移为-0.747mm，小于3mm，满足要求。

对
于z方向（竖向），距离路基位置越近的桥梁桩基，受到路基影响越大，桩顶沉
降越大。

桩顶最大竖向位移为-1.088mm，小于3mm，满足要求。

5 估算桩基水平位移
根据土力学原理，亚黏土粘聚力为30.18kPa，摩擦角为13.25度，桩基产生
的侧向平均压力为：
eak=18.2*2.1*0.5=19.1kPa；
桩基计算宽度为：
b0=0.9×(1.5+1)=2.25m；
计算得到桩基受到水平推力H=2.1×19.1/20*2.25=45kN。

根据规范[4]5.7.2条，按照桩顶铰接计算，计算得到桩顶水平位移为0.264mm，在可控范围。

6 桥梁桩基沉降影响
依据规范[6]第6.3.12条及其条文说明，桩身压缩Se按下列公式计算：
经计算，66#桩基，桩径1.5m，桩长L=37m，弹性模量Ec=3.0×104MPa，端承型桩，取ξe＝0.5；地基沉降后，地基土体对桩基产生负阻力。

负摩阻力：
基桩下拉荷载Qgn计算：
按照不利情况计算，假设淤泥质粉砂层底为中性点，
Q=1.5*3.14*(3*6.8+7.5*30+4*45+13.3*20)=3256.5kN；
Aps=1.5×1.5×3.14/4=1.77m2；
计算桩基桩身压缩为:
Se=0.5*3256.5*27/1.77/28000=1.21mm，小于3mm，满足要求。

同理，计算66#桩基，桩径1.8m时，Q=3908kN，桩身压缩Se=1.02mm，小于3mm，与有限元分析结果-1.088相近，满足要求。

7 结论与安全措施
1.
桥梁桩基附近大面积堆载方案应该结合工程地质情况，并尽可能减小地基土因路基堆载产生的附加应力。

2.
大面积因考虑桥梁桩基侧向位移、竖向承载能力、以及桩基沉降的影响，并应注意桥梁上部结构形式。

施工过程中加强对桥梁等结构物的位移监测监控。

（3）对桥下填方路基建议采用轻质混凝土方案，做到挖方填方尽可能减小地基附加应力。

深厚软土地区，建议对地基进行加固处理有再堆填，可采用微型桩加固或使用桩板结构下穿桥梁桩基。

参考文献
[1] 广东省交通运输厅关于公路路政许可涉路施工质量和安全技术评价的管理办法.广东省交通运输厅办公室,2020.1.
[2] 涉路工程安全评价规范.DB 34/T 2395—2015,安徽省地方标准.
[3] 涉路项目工程技术评价规范.DB 53/T 2020- 2017,云南省地方标准.
[4] 建筑桩基技术规范. JGJ 94-2008.
[5] 公路桥涵地基与基础设计规范. JTG 3363-2019.
[6] 公路与市政工程下穿高速铁路技术规程. TB 10182-2017.
[7] 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范. JTG 3362-2018.。