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摘要：高速公路互通枢纽线路复杂，新旧线路匝道桥交叉时，新旧桥桩基础水平距离较近，埋深相当，可能会影响既有桥桩基础的安全性。本文以某高速公路互通枢纽为工程背景，采用ABAQUS软件进行建模分析，从既有桥桩基础水平位移量、沉降量，相邻桥墩间不均匀沉降量以及桥桩、桥墩应力变化等方面，分析新建桥桩基础对既有桩基础安全性的影响。研究结果可为类似工程提供参考。
关键词：桩基础；沉降；负摩阻力；数值模拟
1、工程概况
某高速公路互通枢纽拟建A匝道桥总长度为493.53m，上部结构为预应力混凝土连续箱梁，下部结构为柱式墩、桩基础。该匝道桥的部分桥墩距已投入使用的另一线路的桥墩较近，桥墩中心最近距离仅为4.8m，A匝道桥的修建可能影响相邻既有桥墩的安全性。因此需根据新建桥墩与既有桥墩的空间位置关系及地层岩性特点，分析其对相邻既有桥桩基础安全性的影响。
2、影响既有桥墩的主要因素分析
2.1 桩底沉降
由于新建A匝道桥部分桥墩距相邻既有大桥桥墩较近，施工时和建成后，可能会引起相邻既有桥桩基础底部发生不同程度的沉降，导致相邻既有大桥桥面形成较大的附加纵坡。此外，超静定结构桥梁墩台间不均匀沉降差值，会使桥梁结构产生附加应力，影响结构安全。
2.2 桩身周围土体沉降
新建桥墩施工时和建成后，可能会造成既有桥桩基础周围土层的沉降，产生负摩阻力。负摩阻力相当于给桩侧壁施加面荷载，会增大桩的轴力，对于端承桩，就有可能造成桩身或桩端地基破坏，对于摩擦桩，上部结构就会加大沉降或产生不均匀沉降[1]。律文田等人研究发现由于负摩阻力的作用，桩身轴力随着深度的增加先增大后减小，桩侧摩阻力沿深度呈非线性变化[2-3]。此外，新建桩基础桩底沉渣在受荷阶段被压缩后桩身下沉，也会引起周围土体的沉降，进一步增大既有桥桩的负摩擦力。
3、计算参数确定及建模分析
3.1计算参数确定
该工程互通枢纽属构造剥蚀侵蚀丘陵地貌，拟建路段上覆土层为第四系全新统粉质粘土和卵石土；下覆基岩为侁罗系中统上沙溪庙组的砂、泥岩互层。粉质粘土厚0.0～4. 30m， 卵石土厚度约0.0～1.5m。
根据互通区地质构造情况，为考虑岩土材料的应力-应变关系，本次采用有限元计算软件ABAQUS进行数值分析，对岩土材料选择弹塑性的摩尔-库伦模型，桥梁自身结构及桥墩桩体等构件选择弹性模型。计算参数确定见表3.1所示。
3.2分析要点
3.2.1初始地应力
在工程数值分析中，初始地应力场的存在和影响不容忽略，它是影响岩土体力学性质的重要控制因素，在实际工程中，开挖之前可以认为土体固结已经完成，土体中的初始应力是土体在自重应力作用下产生的，此初始状态中，土体的位移和速度为零，但应力状态与自重作用下的一致。本次数值分析采用ABAQUS中自带的GEOSTATIC分析步产生初始地应力。
3.2.2生死单元法
在ABAQUS软件中可通过生死单元法实现基坑开挖、桥墩的修建，桥墩与土体之间采用Surface-to-surface contact接触关系相连接。
3.3分析步骤
建模分析步骤见表3.2。
互通枢纽A匝道桥6～8桥墩对相邻既有大桥受力影响分析计算网格划分如图3.1所示。桥墩和土体采用四面体单元（C3D4）、桩基护壁采用壳单元（S3），总单元个数为674390。
4、新建桥桩基础对相邻既有桥桩基础的影响研究计算分析
4.1桩基开挖阶段
（1）桥墩沉降及沉降差
A匝道桥6～8号桥墩桩基基坑开挖应力释放后引起的土体位移变化，见图4.1。引起的土体位移变化最大值为1.81mm，位于A匝道桥6号桥墩桩基基坑周围。
A匝道桥6～8号桥墩桩基基坑开挖应力释放后，引起相邻既有大桥桥墩位移变化见图4.2。水平方向（X、Z方向）最大位移变化为0.6mm，桥墩最大沉降（Y方向）为0.02mm，相邻既有大桥相邻桥墩间有沉降差，但差异性沉降值较小。
（2）桥墩应力
A匝道桥6～8号桥墩桩基基坑开挖应力释放后，引起相邻的既有大桥桥墩主应力变化见图4.3。主应力变化范围在-0.04MPa～0.13MPa之间，引起的主应力变化较小。
4.2桥墩修建完成阶段
（1）桥墩沉降及沉降差
A匝道桥桥墩修建完成后，引起相邻既有大桥桥墩位移变化见图4.4。水平方向（X、Z方向）最大位移变化为2.6mm，桥墩最大沉降（Y方向）為1.1mm。桩底部水平方向（X、Z方向）最大位移变化为0.25mm，桩底最大沉降（Y方向）为1.0mm。既有大桥相邻桥墩间有沉降差，但差异性沉降值较小。
（2）桥墩应力
A匝道桥墩修建完成后，引起相邻既有大桥桥墩主应力变化见图4.5。主应力变化范围在-0.16MPa～0.28MPa之间，引起的主应力变化较小。
A匝道桥墩的修建引起相邻既有大桥相邻桥墩桩底最大水平位移为（X、Z方向）为0.25mm，相邻桥墩桩底最大沉降为1.0mm，相邻桥墩不均匀沉降满足规范要求[5]。相邻桥墩间的差异沉降较小，引起的桥墩主应力变化范围在-0.16MPa～0.28MPa之间。
5、结论与建议
5.1结论
本文建立了ABAQUS三维分析模型，分析了新建A匝道桥对相邻既有大桥桥墩的影响，根据计算得到的既有桥墩沉降值、不均匀沉降值以及新建桥墩引起的既有桥梁结构内力值，A匝道桥的修建对相邻既有大桥结构影响小，符合相关规范要求。
5.2建议
（1）桩基础施工时，应采取合理的施工方案，减小施工对已有桩基础的振动影响，桩身浇筑时，严格控制基坑底部残渣；
（2） 桩基础施工时，应确保材料堆放符合安全要求，严禁造成桥墩受力偏压影响结构安全；
（3）桥墩桩基施工时应严格跳孔施工；
（4）增加施工便道排水设施，对桥梁区域排水系统进行论证设计，保障排水畅通，确保雨季排水顺畅和高速公路桥梁安全；
（5）在桩基础施工过程中，应加强高速公路桥梁监测管理，桥梁日常监测内容应包括地表沉降、桥墩本体沉降、桥墩倾斜监测等，及时采取有效措施保证桥梁良好的安全状况。
参考文献：
[1]陈福全，龚晓南，马时冬等.桩的负摩阻力现场试验及三维有限元分析[J].建筑结构学报，2000，21（3）：77.
[2]律文田，冷伍明，王永和等.软土地区桥台桩基负摩阻力试验研究[J].岩土工程学报，2005，27（6）：642-645.
[3]郭建光，陈伟，陈晓斌等.不同荷载方向下土压力对桩土摩阻力的影响[J].铁道科学与工程学报，2009，6（6）：39-43.
[4]傅文桥.基于桩土共同作用的桩底沉渣对桩承载性状的影响研究[D].湘潭大学，2015.
[5] JTGD63-2007. 公路桥涵地基与基础设计规范[S]. 北京：人民交通出版社，2007.
关键词：桩基础；沉降；负摩阻力；数值模拟
1、工程概况
某高速公路互通枢纽拟建A匝道桥总长度为493.53m，上部结构为预应力混凝土连续箱梁，下部结构为柱式墩、桩基础。该匝道桥的部分桥墩距已投入使用的另一线路的桥墩较近，桥墩中心最近距离仅为4.8m，A匝道桥的修建可能影响相邻既有桥墩的安全性。因此需根据新建桥墩与既有桥墩的空间位置关系及地层岩性特点，分析其对相邻既有桥桩基础安全性的影响。
2、影响既有桥墩的主要因素分析
2.1 桩底沉降
由于新建A匝道桥部分桥墩距相邻既有大桥桥墩较近，施工时和建成后，可能会引起相邻既有桥桩基础底部发生不同程度的沉降，导致相邻既有大桥桥面形成较大的附加纵坡。此外，超静定结构桥梁墩台间不均匀沉降差值，会使桥梁结构产生附加应力，影响结构安全。
2.2 桩身周围土体沉降
新建桥墩施工时和建成后，可能会造成既有桥桩基础周围土层的沉降，产生负摩阻力。负摩阻力相当于给桩侧壁施加面荷载，会增大桩的轴力，对于端承桩，就有可能造成桩身或桩端地基破坏，对于摩擦桩，上部结构就会加大沉降或产生不均匀沉降[1]。律文田等人研究发现由于负摩阻力的作用，桩身轴力随着深度的增加先增大后减小，桩侧摩阻力沿深度呈非线性变化[2-3]。此外，新建桩基础桩底沉渣在受荷阶段被压缩后桩身下沉，也会引起周围土体的沉降，进一步增大既有桥桩的负摩擦力。
3、计算参数确定及建模分析
3.1计算参数确定
该工程互通枢纽属构造剥蚀侵蚀丘陵地貌，拟建路段上覆土层为第四系全新统粉质粘土和卵石土；下覆基岩为侁罗系中统上沙溪庙组的砂、泥岩互层。粉质粘土厚0.0～4. 30m， 卵石土厚度约0.0～1.5m。
根据互通区地质构造情况，为考虑岩土材料的应力-应变关系，本次采用有限元计算软件ABAQUS进行数值分析，对岩土材料选择弹塑性的摩尔-库伦模型，桥梁自身结构及桥墩桩体等构件选择弹性模型。计算参数确定见表3.1所示。
3.2分析要点
3.2.1初始地应力
在工程数值分析中，初始地应力场的存在和影响不容忽略，它是影响岩土体力学性质的重要控制因素，在实际工程中，开挖之前可以认为土体固结已经完成，土体中的初始应力是土体在自重应力作用下产生的，此初始状态中，土体的位移和速度为零，但应力状态与自重作用下的一致。本次数值分析采用ABAQUS中自带的GEOSTATIC分析步产生初始地应力。
3.2.2生死单元法
在ABAQUS软件中可通过生死单元法实现基坑开挖、桥墩的修建，桥墩与土体之间采用Surface-to-surface contact接触关系相连接。
3.3分析步骤
建模分析步骤见表3.2。
互通枢纽A匝道桥6～8桥墩对相邻既有大桥受力影响分析计算网格划分如图3.1所示。桥墩和土体采用四面体单元（C3D4）、桩基护壁采用壳单元（S3），总单元个数为674390。
4、新建桥桩基础对相邻既有桥桩基础的影响研究计算分析
4.1桩基开挖阶段
（1）桥墩沉降及沉降差
A匝道桥6～8号桥墩桩基基坑开挖应力释放后引起的土体位移变化，见图4.1。引起的土体位移变化最大值为1.81mm，位于A匝道桥6号桥墩桩基基坑周围。
A匝道桥6～8号桥墩桩基基坑开挖应力释放后，引起相邻既有大桥桥墩位移变化见图4.2。水平方向（X、Z方向）最大位移变化为0.6mm，桥墩最大沉降（Y方向）为0.02mm，相邻既有大桥相邻桥墩间有沉降差，但差异性沉降值较小。
（2）桥墩应力
A匝道桥6～8号桥墩桩基基坑开挖应力释放后，引起相邻的既有大桥桥墩主应力变化见图4.3。主应力变化范围在-0.04MPa～0.13MPa之间，引起的主应力变化较小。
4.2桥墩修建完成阶段
（1）桥墩沉降及沉降差
A匝道桥桥墩修建完成后，引起相邻既有大桥桥墩位移变化见图4.4。水平方向（X、Z方向）最大位移变化为2.6mm，桥墩最大沉降（Y方向）為1.1mm。桩底部水平方向（X、Z方向）最大位移变化为0.25mm，桩底最大沉降（Y方向）为1.0mm。既有大桥相邻桥墩间有沉降差，但差异性沉降值较小。
（2）桥墩应力
A匝道桥墩修建完成后，引起相邻既有大桥桥墩主应力变化见图4.5。主应力变化范围在-0.16MPa～0.28MPa之间，引起的主应力变化较小。
A匝道桥墩的修建引起相邻既有大桥相邻桥墩桩底最大水平位移为（X、Z方向）为0.25mm，相邻桥墩桩底最大沉降为1.0mm，相邻桥墩不均匀沉降满足规范要求[5]。相邻桥墩间的差异沉降较小，引起的桥墩主应力变化范围在-0.16MPa～0.28MPa之间。
5、结论与建议
5.1结论
本文建立了ABAQUS三维分析模型，分析了新建A匝道桥对相邻既有大桥桥墩的影响，根据计算得到的既有桥墩沉降值、不均匀沉降值以及新建桥墩引起的既有桥梁结构内力值，A匝道桥的修建对相邻既有大桥结构影响小，符合相关规范要求。
5.2建议
（1）桩基础施工时，应采取合理的施工方案，减小施工对已有桩基础的振动影响，桩身浇筑时，严格控制基坑底部残渣；
（2） 桩基础施工时，应确保材料堆放符合安全要求，严禁造成桥墩受力偏压影响结构安全；
（3）桥墩桩基施工时应严格跳孔施工；
（4）增加施工便道排水设施，对桥梁区域排水系统进行论证设计，保障排水畅通，确保雨季排水顺畅和高速公路桥梁安全；
（5）在桩基础施工过程中，应加强高速公路桥梁监测管理，桥梁日常监测内容应包括地表沉降、桥墩本体沉降、桥墩倾斜监测等，及时采取有效措施保证桥梁良好的安全状况。
参考文献：
[1]陈福全，龚晓南，马时冬等.桩的负摩阻力现场试验及三维有限元分析[J].建筑结构学报，2000，21（3）：77.
[2]律文田，冷伍明，王永和等.软土地区桥台桩基负摩阻力试验研究[J].岩土工程学报，2005，27（6）：642-645.
[3]郭建光，陈伟，陈晓斌等.不同荷载方向下土压力对桩土摩阻力的影响[J].铁道科学与工程学报，2009，6（6）：39-43.
[4]傅文桥.基于桩土共同作用的桩底沉渣对桩承载性状的影响研究[D].湘潭大学，2015.
[5] JTGD63-2007. 公路桥涵地基与基础设计规范[S]. 北京：人民交通出版社，2007.