高宏伟 邓会元 程德林

（1.西安市轨道交通集团有限公司，西安 710016；2.东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京 210096；3.东南大学土木工程学院，南京 210096；4.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

我国沿海地区为了缓解用地紧张压力，充分利用沿海大面积滩涂资源，大力发展围垦造陆工程。由于滩涂围垦区土质较差，软土较厚，固结时间较长，给滩涂围垦区工程建设带来了极大的挑战。国内外也出现了大量的围垦区构筑物损坏问题，如日本的大阪关西国际机场由围海造陆形成，目前已出现大量的不均匀沉降和结构开裂问题[1]；荷兰由于海拔较低，紧邻海洋，从400年前就开始大面积围垦造陆，历史上已出现大量地基不均匀沉降致使建筑物、道路、桥梁发生破坏的现象，严重影响构筑物的正常使用[2]。我国浙江、广东等沿海围垦区，也出现了一些桥墩偏移、不均匀沉降等问题。

为了研究堆载对邻近桩基的影响，Heyman等[3]通过在路堤侧埋设试验桩，监测了路堤分层填筑对邻近试桩的侧向变形和弯曲的影响。Wenz、Nicu等[4-5]开展了软土地表堆载对桩基影响的现场试验，认为堆载后软黏土地基流动足以使桩基发生很大变形甚至毁坏。此外，梁育玮等[6]针对侧向堆载对城际铁路高架桥的影响进行了有限元分析，并提出了不同堆载高度下堆载的安全距离。为了减小堆载侧向变形的影响，易勇等[7]研究了不同加固方案对被动桩受力的影响，杨生等[8]针对可门港大桥货场扩建工程堆载侧向变形问题，通过数值模拟分析了隔离桩加固技术，认为双排隔离桩可以显著降低扩建工程堆载对邻近铁路桥的影响。从已有研究及工程实践可以看出，滩涂围垦工程建设较多，堆载作用下被动桩问题较普遍，但是关于滩涂围垦对新建桥梁桩基的影响研究较少，特别是围垦工程与海堤以外桥梁施工工序对新建桥梁的影响。

本文依据杭甬高速公路复线宁波段滩涂区地质特点，采用有限差分软件建立三维整体模型，模拟分析滩涂围垦与新建桥梁施工先后顺序对桥梁桩基的影响，以完善设计规范对此类工程安全设计的规定。

1 工程概况

杭甬高速公路复线高架桥位于宁波东部沿海，宁波段全长约79.737 km，分为一期和二期工程。一期工程东段起于威海路，止于慈溪附海，与杭州湾大桥南岸连接线相接，线路全长40.757 km。

S1标段为杭甬高速公路复线宁波段一期工程的东段工程，与围垦工程联系较紧密。拟建高架桥的不同区段受围垦工程影响差异较显著，其中K0—K2区段位于新弘口围垦区外侧，上部为淤泥质黏土，厚20～28 m，土层的主要物理力学参数见表1。

表1 土层的主要物理力学参数

邻近的海堤及围垦工程尚未开工。该围垦区规划的海堤距离线位200 m左右，根据规划及进度安排，该区域围垦填土与本项目存在同期施工的问题。若桥梁施工过程或施工完成后再进行海堤施工及围垦区大面积填土工程，会使邻近桥梁产生侧向变形。因此，需开展该区段海堤施工及围垦工程对邻近桥梁的影响研究，提出合理的施工工序及安全设计建议。

2 数值模拟

2.1 模型及参数

应用有限差分软件FLAC 3D对K0—K2区段桥梁桩基进行数值建模，模型见图1。

图1 数值模型（单位：m）

模型中土体、混凝土材料的体积模量和剪切模量可通过弹性模量和泊松比换算得到[9]。一般情况下，弹性模量取压缩模量的2～5倍，而对于淤泥软土层，可直接取为压缩模量值[10]。

本工程目前缺少现场桩基静载试验数据，考虑到桥梁桩基为钻孔灌注桩，接触面上的黏聚力、内摩擦角可取桩相邻土层的80%。

根据设计资料，该区段桥梁桩基的桩径为1.8 m，桩长为85.5 m，桩入土长度为79.5 m，后期围垦区填土厚度为5.0 m。海堤采用抛石挤淤建成，模型材料参数见表2。

表2 模型材料参数

根据设计要求，K0—K2区段桥梁桩基为4桩群桩基础（图2，图中D为桥梁与海堤的距离），单桩设计承载力特征值约5 000 kN。

图2 桥墩基础及邻近海堤剖面

威海路桥梁基础与邻近拟建海堤距离取200 m。围垦区填土厚5.0 m，重度取17.5 kN/m3，海堤顶部高程为+6.5 m，宽度为8.5 m，海堤剖面简化为梯形。地基土体、海堤和桥梁桩基均采用实体单元模拟，模型尺寸参见图1。当桥墩距离模型边界大于30倍桩径时，可忽略边界的影响。本次模拟中土体材料采用Mohr‐Coulomb模型，桩身、堤坝为线弹性模型。模型的前后左右约束相应的侧向位移，底部约束竖向位移。

2.2 计算工况

由于新弘口K0—K2区段桥梁以及邻近海堤、围垦填土均未施工，考虑到后期桥梁施工及海堤、围垦填土施工存在先后顺序的问题，模拟分析了3种最不利工况，考虑了距离（海堤外海侧坡脚与承台轴线间距）海堤180，200，220 m时桥梁桩基的受力变形。计算工况见表3。

表3 计算工况

3 计算结果分析

3.1 海堤施工和围垦填土的影响

以工况一为例，分析距离180，200，220 m时海堤施工后围垦填土对邻近新建桥梁的影响，桩身变形见图3。

图3 不同桥梁与海堤距离时新建桥梁桩身变形（工况一）

由图3可见：随着距离的增加，海堤施工及围垦填土对邻近桥梁桩基水平位移的影响越来越小，桩身最大水平位移位于桩顶以下18～20 m深度处。仅施工海堤时，距离从180 m增大到220 m，邻近桥墩最大水平位移从5.5 mm降低到3.1 mm，说明从180 m之后，距离每增加20 m，邻近桩基的最大水平位移降低了23.6%～26.2%。而围垦填土后，桩身最大水平位移显著增加，比海堤施工阶段增加38.1%～54.8%，说明围垦填土对新建桥梁的影响大于海堤施工。距离从180 m增大到220 m时，每增加20 m，最终桩身最大水平位移降低了21.0%～23.7%，且距离为180～200 m时，邻近桥墩桩基最大水平位移大于10 mm，桩顶位移也大于6 mm，不满足JTG D63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》[11]中的位移控制要求。距离为220 m时，桩身最大水平位移小于10 mm，桩顶位移也小于6 mm，满足位移控制要求。

3.2 施工工序的影响

考虑到桥梁基础、上部结构、海堤施工及围垦填土等工序存在交叉，不同施工工序对新建桥梁桩基的影响可能存在差异。因此，当海堤距离桥墩200 m时，分析施工工序对邻近新建桥梁桩基的影响，不同施工工序下邻近桥墩桩身变形见图4。可见：

1）在桥梁施工、海堤施工及围垦填土均完成后，工况二施工工序对邻近桥墩影响最小，而工况三的施工工序对邻近桥墩最不利；所有施工完之后，工况二引起的桥墩桩基最大变形分别比工况一、工况三小8.0%，18.6%。因此，建议采取工况二的施工工序。

图4 不同施工工序下邻近桥墩桩身变形

2）对比工况一和工况二可以看出，海堤施工完成时，工况二桩身变形大于工况一的桩身变形。由于工况一在海堤施工之前已完成桥梁上部结构施工，即出现桩顶荷载，相当于给桩基预加了轴力，而工况二桩顶无荷载，使得工况一的桩身变形小于工况二。这说明在海堤施工阶段，桩顶荷载的施加有助于提高桩身侧向抗变形能力。

从工况三不同施工阶段可以看出，围垦填土完成后再施加桥梁上部荷载时，由于桥墩已出现了较显著的变形，桩顶荷载施加后，出现了P-Δ效应，反而加大了桩身变形，桩身最大变形增加6.6%。因此，实际施工过程中若桥墩桩基已出现变形，上部结构施工时应考虑P-Δ效应对桥墩桩基的不利影响。

3.3 桩基变形预测分析

上文计算了几种代表性的桥梁与海堤距离工况，下面分析距离50～250 m时3种工况桩身最大水平位移曲线（图5）。

图5 桩身最大水平位移随桥梁与海堤距离变化曲线

根据图5中不同工况下桩身最大水平位移变化曲线，可拟合得到相同形式的指数函数：

式中：y为水平位移；a为距离为0时最大变形影响系数；b为受距离影响的参数；x为距离。

同理，桩顶水平位移也可拟合成相同形式指数函数。各参数取值见表4。

表4 指数函数各参数取值

式（1）拟合度较高，可以很好地预测不同距离情况下3种施工工序对邻近桥桩的影响。当距离为120 m时，3种工况下桩身最大水平位移分别为32.84，29.59，40.15 mm；桩顶水平位移分别为29.06，15.28，30.89 mm。相应的桩身最大水平位移比桩顶水平位移分别增加了13.0%，93.7%，30.0%。

根据JTG D63—2007，泥面处桩最大位移容许值为10 mm，但是该规范一般针对桩顶受荷的主动桩，对于堆载作用下的被动桩位移控制，目前尚无规范明确要求。若将桩身最大位移控制为10 mm，根据式（1）可得到3种工况下的海堤安全距离分别约为200，192，215 m。

3.4 计算结果汇总分析

不同施工工况计算结果见表5。

表5 不同施工工况桩基位移和承台转角计算结果

由表5可见：

1）在3种工况下，随着海堤距离的增加，桩基的水平位移、竖向位移、以及承台转角均减小。当海堤距离为180～220 m时，不同工况下承台转角在0.004°～0.014°，转角较小，能满足工程要求。

2）当海堤距离桥梁桩基为180 m时，3种工况计算得到的桩基最大水平位移可以达到11.9～14.8 mm，而且桥梁上部结构在围垦填土完成之后施工不利于桩基位移的控制。由于海堤施工及围垦填土已使桩基产生侧移和弯曲，最后施加桩顶荷载，会引起二次弯曲和附加水平位移。

3）当海堤距离桥梁桩基为220 m时，3种工况下最大水平位移为7.3～9.0 mm，小于10 mm，说明距离大于220 m时任意一种施工工序下桥梁桩基均能保持安全稳定。

4）当海堤距离桥梁200 m时，若桥梁上部结构施工早于围垦填土施工，更有利于控制填土引起的桥梁桩基的水平位移，而且位移可控制在9.2～10.0 mm；而桥梁上部结构施工迟于围垦填土时，桩基的水平位移会略大于10 mm，对桥梁的安全稳定不利。

4 结论

本文以杭甬高速公路复线邻近的围垦工程为背景，研究围垦工程对新建桥梁桩基的影响。通过建立模型分析了海堤施工、围垦填土、桥梁施工不同施工工序对邻近桥梁桩基产生的影响。主要结论如下：

1）拟建海堤距离桥梁180～220 m时，距离越远，海堤施工、围垦填土以及桥梁上部结构施工对邻近桥梁桩基水平位移的影响越小；在相同施工工序情况下，海堤距离桥墩从180 m增加到220 m，每增加20 m，桩基最大水平位移减少20.4%～23.7%。

2）不同施工工序下围垦填土的影响大于海堤施工的影响，桩身最大水平位移显著增加。工况一中桩身最大水平位移在围垦填土阶段比海堤施工阶段增加了38.1%～54.8%。

3）从工况三可以看出，桩基受周围填土影响而出现了弯曲变形。桩顶施加荷载之后，由于P-Δ效应桩身变形增加，且海堤距离桥梁越近，P-Δ效应越显著。海堤距离桥墩为180，200，220 m时，施加桩顶荷载后，桩身最大变形增量为1.0，0.7，0.7 mm，分别增加了7.2%，6.6%，8.4%。

4）在海堤施工和围垦填土之间施工桥梁上部荷载，有利于降低桥桩的水平位移。K0—K2区段桥梁施工及新弘口围垦区施工时，建议围垦填土之前完成桥梁上部结构施工，此时桥梁距离海堤的安全距离可控制在200 m。