互通區(qū)跨線橋鄰近路基墩柱偏移事故分析

張 浩 石名磊 胡伍生 姜在田

(1東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 210096)(2江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，南京 210005)

互通區(qū)跨線橋鄰近路基墩柱偏移事故分析

張 浩1石名磊1胡伍生1姜在田2

(1東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 210096)
(2江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，南京 210005)

摘 要:結(jié)合工程實(shí)例分析了跨線橋墩柱偏移的原因，提出了偏移墩柱的處治措施.首先，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)揭示了鄰近路基墩柱的變位性狀，采用低應(yīng)變動(dòng)測(cè)評(píng)測(cè)了橋墩樁身?yè)p傷情況，并基于場(chǎng)區(qū)地基軟土性狀分析，指出鄰近路基堆載是引起墩柱偏移的根本原因.然后，基于應(yīng)變楔分析模型，提出了一種以樁頂位移為計(jì)算控制條件的樁身受力分析方法，并通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證了該方法的合理性.最后，根據(jù)各橋墩支座偏位量情況，結(jié)合樁身受力驗(yàn)算與Bozozuk分析評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)支座位移不大于50 mm的墩柱采用平衡堆載的處治方法;對(duì)支座位移大于50 mm的墩柱采用樁基頂推聯(lián)合墩柱牽引的糾偏處治措施.結(jié)果表明，處治后墩柱支座偏移量分別降低了10.7% ～43.7%和79.7% ～100%，處治效果良好，對(duì)類似工程具有借鑒意義.

關(guān)鍵詞:跨線橋;側(cè)向位移;糾偏;軟土;樁基

互通立交是高等級(jí)公路的重要組成部分.伴隨 我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)的飛速發(fā)展，各公路之間的相互連接、互通跨線橋工程逐漸增多.但在互通立交施工中，不可避免會(huì)遇到主線橋與下行公路、互通匝道以及上跨匝道與下行公路的交互影響問(wèn)題，處理不當(dāng)易引發(fā)工程事故.其中，下行路基的填筑可能引起鄰近跨線橋墩柱的偏移，尤其是當(dāng)基底下伏較厚軟土層時(shí)，隨著時(shí)間的推移，基底軟土在堆載作用下發(fā)生沉降的同時(shí)亦可能產(chǎn)生較大的側(cè)向變形［1-3］，引起鄰近構(gòu)造物、樁基礎(chǔ)產(chǎn)生變形、破壞以致失穩(wěn).

目前，堆載作用下土體側(cè)向位移對(duì)鄰近樁基受力的影響分析方法主要包括土壓力法和土位移法.土壓力法的關(guān)鍵在于對(duì)側(cè)移土體誘發(fā)的水平擠壓力的合理假定與評(píng)估［4-5］.考慮到樁土相互作用的根本原因是土體側(cè)向位移，基于自由土體位移計(jì)算樁身變形與受力的土位移法［6-7］在機(jī)理上能更好地反映被動(dòng)樁-土的相互作用，但由于自由土體位移場(chǎng)的確定較為困難，其工程應(yīng)用受到制約.近年來(lái)，基于水平受荷樁應(yīng)變楔模型(strain wedge method，SWM)［8-9］的樁土相互作用分析方法發(fā)展迅速，將傳統(tǒng)一維彈性地基梁法的應(yīng)用拓展到三維樁土相互作用的分析中，為側(cè)向受荷被動(dòng)樁的作用效應(yīng)分析提供了有益思路.

本文結(jié)合連云港某疏港高速公路XG路互通和SD互通的工程實(shí)例，對(duì)下行路基填筑引發(fā)的跨線橋墩柱偏移、橋墩樁基樁身?yè)p傷等工程問(wèn)題進(jìn)行了分析.然后，基于SWM模型，提出了一種以樁頂位移為控制條件的偏移基樁受力分析方法，為被動(dòng)樁作用效應(yīng)的合理評(píng)估進(jìn)行了有益嘗試.此外，針對(duì)不同墩柱支座偏位量，提出了分級(jí)處治的措施.

1 工程事故

1.1 工程概況

連云港某疏港高速公路XG路互通和SD互通采用半苜蓿葉-半定向匝道型立體交叉(見(jiàn)圖1).XG路互通包括主線跨XG路橋、B匝道跨XG路橋和主線跨B匝道橋3座跨線橋;被交路XG路互通的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2 200 m，分別于主線橋26#和28#墩間、B匝道橋5#和7#墩間下穿公路主線和互通B匝道處，B匝道于主線橋34#和35#墩間下穿公路主線處.SD互通包括主線跨SD路橋、A匝道跨SD路橋和主線跨A匝道橋3座跨線橋;被交路SD公路互通的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 300 m，分別于主線橋8#和10#墩間、A匝道橋4#和6#墩間下穿公路主線和互通A匝道處，A匝道于主線橋16#和17#墩間下穿公路主線處.

圖1 XG路互通與SD互通平面圖

1.2 偏移事故分析

6 座跨線橋皆采用樁柱式橋墩(1.6 m樁接1.2 m柱)，施工中橋墩樁基施工完成后才開展鄰近路基的填筑.路基主體填筑完成后，發(fā)現(xiàn)該6座跨線橋鄰近被交路的60根墩柱皆發(fā)生了遠(yuǎn)離路基方向的偏移(見(jiàn)表1).由表1可知，XG路互通28#墩頂支座偏移最為嚴(yán)重，8根墩柱頂位移都大于100 mm，最大墩頂位移發(fā)生在28#7墩柱處，約133 mm.XG路互通26#墩頂支座、SD互通8#和10#墩頂支座偏位情況亦相對(duì)嚴(yán)重，約33～78 mm.考慮到墩柱與被交路相對(duì)位置以及被交路地基處理方式的影響，墩柱軸線到鄰近路基坡肩的距離越遠(yuǎn)，墩頂支座偏位量越小.例如，對(duì)于主線跨XG路橋右側(cè)28#墩和該互通B匝道跨XG路橋右側(cè)7#墩，在鄰近路基填土高度相近(分別為2.3，2.0 m)的情況下，7#墩由于距離被交路較遠(yuǎn)(8.5～9.3 m)，墩頂支座偏位量明顯較小(1～3 mm).當(dāng)被交路采用水泥攪拌樁地基處理時(shí)，盡管上部路基堆載較高，但路基兩側(cè)橋墩偏位量相對(duì)較小.而對(duì)于沒(méi)有地基處理的路段，填土高度越高，則墩柱偏移量越大.

針對(duì)偏移事故發(fā)生原因，由場(chǎng)區(qū)地質(zhì)性狀可知，該互通區(qū)位于海積平原工程地質(zhì)區(qū)，區(qū)內(nèi)主要土層及性質(zhì)見(jiàn)表2.地表淺埋有一層厚約15.5～22.0 m的海積淤泥層，主要物理力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表3.

表2 場(chǎng)區(qū)典型斷面土層參數(shù)

表3 場(chǎng)區(qū)淤泥物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

由表3可知，該淤泥層天然含水率統(tǒng)計(jì)均值為69.2%，大于《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》［10］中的軟土鑒別指標(biāo)(35%)和土體液限，土層呈流塑狀態(tài).孔隙比為1.62～2.25，壓縮系數(shù)α0.1-0.2為 1.26 ～2.38 MPa－1，說(shuō)明該淤泥層具有高含水率、高壓縮性、低抗剪強(qiáng)度的工程特性.在路基堆載作用下，該土層除出現(xiàn)較大壓縮變形外，將發(fā)生顯著的側(cè)向擠出現(xiàn)象［11］，從而產(chǎn)生巨大的側(cè)向推擠作用，易引發(fā)鄰近樁基的側(cè)向偏移.同時(shí)，參考一般軟土發(fā)生等速蠕變的臨界應(yīng)力值(10～20 kPa)［12］，路基堆載作用下，軟土流變特性引起土體位移不斷累積，在一定程度上亦將使得鄰近樁基偏移隨時(shí)間推移而增大.現(xiàn)場(chǎng)低應(yīng)變動(dòng)測(cè)揭示了樁身?yè)p傷深度均發(fā)生在海積淤泥層范圍內(nèi)(見(jiàn)表4)，而此處恰是土層側(cè)向推擠力相對(duì)較大的區(qū)域.可見(jiàn)，鄰近路基堆載引起的淺埋淤泥層和樁基較大的側(cè)向位移及變形累積是跨線橋墩柱發(fā)生偏移事故的根本原因.

表4 部分樁身低應(yīng)變動(dòng)測(cè)結(jié)果

2 偏移基樁受力分析

2.1 計(jì)算模型與分析方法

路基堆載作用下，鄰近樁基的存在限制了軟弱土層的側(cè)向變形，并將堆載側(cè)土體位移引起的壓力傳遞到下部穩(wěn)定地基土層中.因此，在偏移基樁分析時(shí)，可將樁身簡(jiǎn)化為上部受土體位移作用的被動(dòng)區(qū)和下部受穩(wěn)定土抗力作用的主動(dòng)區(qū)(見(jiàn)圖2(a)).基于傳統(tǒng)彈性地基梁法(BEF)，結(jié)合局部變形理論，可分別建立被動(dòng)區(qū)和主動(dòng)區(qū)樁身微分方程，即

式中，x，y分別為單元深度和側(cè)向位移;xi為第i層土體的單元深度;pi(xi)為被動(dòng)區(qū)第i層土側(cè)移引起的推擠力;Es(xi)為主動(dòng)區(qū)第i層土地基反力模量;E為樁身模量;I為截面慣性矩;hs為被動(dòng)區(qū)厚度;X0為主動(dòng)區(qū)厚度.

圖2 堆載下鄰近基樁受力模式

雖然方程(1)形式簡(jiǎn)潔、應(yīng)用方便，但未考慮沿樁身各土層間的相互作用，無(wú)法描述樁土三維相互作用.試驗(yàn)研究表明，側(cè)向受荷樁在樁后會(huì)形成三維楔形體［8］.因此，結(jié)合鄰近路基偏移基樁的受力特點(diǎn)，可假定基樁在土體側(cè)移推力作用下，于樁后主動(dòng)區(qū)形成被動(dòng)三維土楔;而在上部被動(dòng)區(qū)，根據(jù)牛頓第三定律，可將土體位移對(duì)樁身的推力作用近似看作樁身反向側(cè)移對(duì)土體的擠壓作用，從而在樁前形成三維土楔(見(jiàn)圖2(b)).設(shè)上、下土楔開展的底角分別為 βms，βm，擴(kuò)展傘角分別為 φms，φm，則某一時(shí)刻的楔形體幾何尺寸為

式中，Bsi，Bi分別為地表下深度xi處的上、下土楔開展寬度;D為樁身直徑.

將上、下土楔分別離散為n個(gè)厚h的土楔層單元(見(jiàn)圖3).提取土體單元，以第i層土楔的豎向應(yīng)力 σv，i為單元圍壓，水平向應(yīng)力增量 Δσh，i為偏主應(yīng)力增量，通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)可近似描述各土楔應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系.圖3中，F(xiàn)i為第i層土體的土楔模型側(cè)壁壓力;τs，i為第 i層土體的樁側(cè)剪應(yīng)力;δ，δs分別為主、被動(dòng)區(qū)樁身轉(zhuǎn)角.

圖3 應(yīng)變楔模型

引入應(yīng)力水平SL，則各土楔層水平應(yīng)力增量為

式中，Δσhf，i為第 i層土楔的水平應(yīng)力極限增量［13］.第i層土楔的應(yīng)力水平SL，i可通過(guò)三軸試驗(yàn)確定，亦可參考文獻(xiàn)［13］的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系得到.

根據(jù)各單元應(yīng)力平衡方程，可得樁身應(yīng)力分布

式中，S1，S2為樁形系數(shù)，樁截面為圓形時(shí)分別取值為0.75和 0.50，樁截面為方形時(shí)取值均為1.0［8］;τs，i= σv，itanφs，i，φs，i為第 i層土體的內(nèi)摩擦角.

考慮楔形土體應(yīng)變變形，基于摩爾應(yīng)變圓原理，根據(jù)樁土變形協(xié)調(diào)條件［8］，可得主動(dòng)區(qū)各土楔層相應(yīng)樁身單元的變形轉(zhuǎn)角δ與側(cè)向位移yi為

式中，γ為被動(dòng)土楔剪應(yīng)變;=45－φm/2.

以式(7)所得主動(dòng)區(qū)樁身位移為邊界條件，結(jié)合式(1)，采用有限差分法可求得基于SWM模型的樁頂側(cè)向位移Y0，SWM.

同時(shí)，由式(5)和(7)可得主動(dòng)區(qū)地基反力模量為

將式(5)和(8)代入式(1)，可得出基于BEF法的樁頂側(cè)向位移Y0，BEF.據(jù)此，以樁頂位移相等(Y0，BEF=Y0，SWM)為控制條件，提出一種考慮樁土三維相互作用的樁身受力計(jì)算方法.具體步驟如下:

①以偏移基樁樁頂位移或樁頂設(shè)計(jì)容許位移Y0為控制條件，將地基劃分為厚h的層狀土層.

② 假定上土楔初始應(yīng)變?yōu)棣舠，由式(5)計(jì)算得出土層側(cè)移對(duì)樁身的推力pi(xi).假定下土楔初始應(yīng)變?yōu)棣?，由?5)和(7)分別計(jì)算得出主動(dòng)區(qū)土層抗力與樁身位移，進(jìn)而計(jì)算得到樁頂位移Y0，SWM.

③由式(8)得主動(dòng)區(qū)地基反力模量Es(xi)，結(jié)合上部推力 pi(xi)，代入式(1)，得樁頂位移Y0，BEF.

④ 若 Y0，BEF=Y0，SWM，轉(zhuǎn)入步驟⑤;否則，調(diào)整εs和ε，轉(zhuǎn)入步驟②.

⑤ 若 Y0，BEF=Y0，SWM=Y0，由式(1)可求得樁身內(nèi)力;否則，調(diào)整εs和ε，轉(zhuǎn)入步驟②.

2.2 實(shí)例驗(yàn)證與工程計(jì)算

以英格蘭Hildenborough地區(qū)某鐵路路基邊坡加固基樁C為例［14］，對(duì)本文方法進(jìn)行驗(yàn)證.以C樁1 345 d樁頂觀測(cè)位移(37 mm)為計(jì)算控制條件，計(jì)算斷面、路基填料及地基土物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)［14］.計(jì)算結(jié)果表明，根據(jù)本文方法計(jì)算得到的樁身變形與實(shí)測(cè)結(jié)果相近，但計(jì)算的樁身彎矩與實(shí)測(cè)結(jié)果相比整體偏大(見(jiàn)圖4和圖5).這可能是因?yàn)樯喜棵軐?shí)碎石層位移小于樁身位移，導(dǎo)致樁身上部產(chǎn)生負(fù)彎矩，從而在一定程度上降低了下部正彎矩峰值.本文模型中并未考慮該部分的影響，結(jié)果相對(duì)保守.

圖4 樁身位移對(duì)比分析

圖5 樁身彎矩對(duì)比分析

采用本文方法對(duì)工程事故中偏移量最大的橋墩樁基(XG路互通28#墩8根基樁)進(jìn)行分析.樁長(zhǎng)為62 m，樁徑為1.6m，樁身模量為28.5 GPa;地層參數(shù)見(jiàn)表2;淤泥層厚為16 m.考慮墩柱支座約束條件，在樁頂取剪力Q0=－120 kN，彎矩M0=－960 kN·m.以各墩柱底(基樁樁頂)偏移量為控制條件，計(jì)算樁身受力.如圖6所示，隨著樁頂偏移量的增加，樁身最大彎矩也逐漸增加，彎矩開展深度略有增加.當(dāng)樁頂偏移由71 mm增加至106 mm時(shí)，樁身計(jì)算最大彎矩增加約32.6%，說(shuō)明淺埋淤泥層的側(cè)向位移對(duì)基樁受力影響較為顯著.

圖6 樁身彎矩計(jì)算結(jié)果

3 糾偏處治措施

采用2.1節(jié)方法對(duì)樁身最大彎矩進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［15］對(duì)樁身開裂彎矩Mcr和極限彎矩Mult進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果見(jiàn)圖7.樁身最大彎矩與墩頂支座位移近似呈線性遞增關(guān)系.當(dāng)支座位移為40～52 mm時(shí)，樁身最大彎矩達(dá)到開裂彎矩，位移的繼續(xù)增加雖能滿足受彎承載力要求，但卻可能引起支座和上部結(jié)構(gòu)的損壞.《公路橋梁板式橡膠支座規(guī)格系列》［16］規(guī)定d600板式橡膠支座的最大水平位移量為52.5 mm;同時(shí)，參考文獻(xiàn)［2-3］對(duì)美國(guó)、加拿大端承樁橋臺(tái)和碼頭變位的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，當(dāng)水平變位大于50 mm時(shí)，可引起上部結(jié)構(gòu)的損壞.由此可見(jiàn)，盡管各偏移基樁樁身受力仍滿足承載力要求，但為消除安全隱患，仍需采用一定的加固糾偏措施.因此，工程現(xiàn)場(chǎng)提出分級(jí)處理處治原則，即以墩頂支座偏移50 mm為界，采用平衡堆載和樁基頂推聯(lián)合墩頂牽引的處治措施.

圖7 樁身最大彎矩與支座位移的關(guān)系

當(dāng)墩頂支座偏移量小于等于50 mm時(shí)，由于樁身最大彎矩相對(duì)較小，樁身完好.墩柱偏移主要是由于被交路堆載應(yīng)力作用下淺埋淤泥層發(fā)生側(cè)向變形而產(chǎn)生的.按照相同原理，可通過(guò)平衡橋墩兩側(cè)堆載來(lái)防止墩柱進(jìn)一步偏移的發(fā)生.此處采用二次分級(jí)加載的方案(見(jiàn)圖8).

圖8 平衡堆載處理方案示意圖(單位:m)

當(dāng)墩頂支座偏移量大于50 mm時(shí)，考慮到較大附加堆載產(chǎn)生的樁側(cè)負(fù)摩阻力的影響，單純采用平衡堆載方案將無(wú)法達(dá)到糾偏復(fù)位的目的，故采用樁基頂推聯(lián)合墩頂牽引的技術(shù)措施(見(jiàn)圖9).首先，對(duì)鄰近橋墩的被交路進(jìn)行局部卸載，并在橋墩鄰近被交路一側(cè)打設(shè)消能孔，為橋墩樁基回位提供空間.然后，在橋墩偏移方向外側(cè)補(bǔ)打2排鉆孔灌注樁，并澆筑聯(lián)系橫梁，在樁頂位置采用千斤頂頂推，以使樁基回位.因上部橋梁已施工結(jié)束，在糾偏復(fù)位過(guò)程中墩頂支座會(huì)產(chǎn)生摩阻力(箱梁恒載摩阻力約120 kN)，故在墩頂位置施加一牽引力.

圖9 樁基頂推聯(lián)合墩頂牽引方案示意圖(單位:m)

圖10為糾偏處治后各墩柱頂部支座偏移量統(tǒng)計(jì).由圖可見(jiàn)，處治后各墩頂支座偏移量皆小于50 mm，個(gè)別墩柱(如26#5，8#5墩柱)已經(jīng)復(fù)位.采用樁基頂推聯(lián)合墩頂牽引技術(shù)措施的效果明顯，處治后28#墩8根墩柱和8#墩7根墩柱的偏移量皆小于25 mm，與處治前相比分別降低了約79.7% ～92.1%和84.7% ～100%.平衡堆載方案主要是以防止墩柱進(jìn)一步偏移為目的，糾偏效果相對(duì)有限，處治后支座位移量降低約10.7% ～43.7%.

圖10 糾偏后橋墩支座偏移量

4 結(jié)論

1)淺埋海積淤泥層具有高含水率(42.2% ～82.2%)、高壓縮性(α0.1-0.2=1.26 ～ 2.38 MPa－1)和低抗剪強(qiáng)度的工程特性，在路基堆載作用下會(huì)產(chǎn)生側(cè)向擠出與蠕變變形，這是鄰近墩柱發(fā)生偏移的根本原因.

2)基于應(yīng)變楔分析模型，根據(jù)樁土相互作用特點(diǎn)，提出了一種以樁頂位移為控制條件的被動(dòng)樁計(jì)算方法，為偏移事故樁受力驗(yàn)算以及被動(dòng)受荷樁設(shè)計(jì)驗(yàn)算提供了一種新思路.

3)提出分級(jí)處理的處治原則，以支座偏移50 mm為界，分別采用平衡堆載、樁基頂推聯(lián)合墩頂牽引糾偏措施，處治后墩柱偏移量分別降低約10.7% ～43.7%和 79.7% ～100%.

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Analysis of sloping pier nearby embankment of overpass bridge in interchange

Zhang Hao1Shi Minglei1Hu Wusheng1Jiang Zaitian2

(1School of Transportation，Southeast University，Nanjing 210096，China)
(2Jiangsu Provincial Communication Planning and Design Institute，Nanjing 210005，China)

Abstract:Based on an engineering example，the reasons of the sloping pier of an overpass bridge and the treatment method for the sloping pier were analyzed.First，the sloping condition of the bridge pier was measured by field monitoring，and the damaged position of pile was clarified by low strain dynamic test.On the basis of characteristic analysis of soft soils，a conclusion that neighboring embankment load was the root cause for the displacement of the bridge pier was made.Then，a displacement-based calculation method of the sloping pile was described based on the strain wedge model(SWM)，and its rationality was verified with an example.Finally，according to the statistics of bearings lateral displacement，by calculating of pile stress and using analytical standard set by Bozozuk，the treatment method of applying surcharge load was carried out for the piers with bearings displacement less than 50mm，and the treatment method of pushing combined traction was used for the piers with bearings displacement more than 50 mm.The results show that after rectifying the bearings displacements are decreased by about 10.7%to 43.7%and 79.7%to 100%respectively，indicating that the treatment methods can achieve desired results and can be used for reference.

Key words:overpass bridge;lateral displacement;rectification;soft clay;pile foundation

中圖分類號(hào):TU473

A

1001－0505(2013)03-0617-07

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2013.03.031

收稿日期:2012-11-30.

張浩(1985—)，男，博士生;石名磊(聯(lián)系人)，男，博士，教授，mingleish@163.com.

引文格式:張浩，石名磊，胡伍生，等.互通區(qū)跨線橋鄰近路基墩柱偏移事故分析［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，43(3):617-623.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2013.03.031］