基礎(chǔ)沉降對橋梁結(jié)構(gòu)的影響及沉降控制

張紅波

（中鐵七局集團(tuán) 鄭州工程有限公司，河南 鄭州450000）

0 引言

橋梁基礎(chǔ)分為樁基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)，其中樁基礎(chǔ)具有較好的承載能力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，是橋梁建設(shè)中應(yīng)用最多的基礎(chǔ)形式。比較常見的樁基礎(chǔ)形式有預(yù)制管樁、沖孔樁和人工挖孔樁等，由于樁基礎(chǔ)的承載力和穩(wěn)定性較好，采用樁基礎(chǔ)的橋梁結(jié)構(gòu)的總體沉降比較容易控制，但容易生局部樁身穩(wěn)定性不足造成的局部不均勻沉降，影響整個橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用。

沉井基礎(chǔ)能夠適應(yīng)較厚的覆蓋土層，帶動周圍大范圍的土體共同承擔(dān)上部荷載，但其在使用階段能夠滿足沉降要求，還需要進(jìn)一步的研究。

1 橋梁基礎(chǔ)沉降對橋梁結(jié)構(gòu)的影響

1.1 計(jì)算模型的建立

以某橋梁的加寬處理為例，在橋梁的兩側(cè)加設(shè)T型梁，在拓寬部分和原來部分的連接方式為固定連接，將兩者作為一個整體共同的參與受力，中間不設(shè)置沉降縫和伸縮縫，這樣就必須考慮新舊地基不均勻沉降對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，這里假設(shè)拓寬后沉降差為5mm，從而對橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析。計(jì)算簡圖中將橋梁下部結(jié)構(gòu)看做可以轉(zhuǎn)動的鉸接點(diǎn)，這是因?yàn)榭鐝椒较蛴凶銐虻臋M隔板，在行車道板上也設(shè)置了加強(qiáng)鋼筋作為連接保證，所以翼緣板的連接是剛性的，T型梁在使用和施工過程中又會遇到一定的摩阻力，橫向受到牽制作用，所以翼緣的末端看作為水平拉桿，不考慮豎向約束的影響。計(jì)算簡圖如圖1：

圖1計(jì)算簡圖

1.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

根據(jù)經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)可以將上圖結(jié)構(gòu)作為一個兩次超靜定來計(jì)算，在多余未知力和支座位移的共同作用下，根據(jù)力學(xué)的位移互等定理建立方程如下

做出兩個未知力X1和X2的單位彎矩圖，根據(jù)圖乘法進(jìn)行計(jì)算。本例中沉降為5mm，梁的高度為1.225m，主梁間距為1.7m，混凝土彈性模量為3e10Pa，將數(shù)據(jù)代入到經(jīng)典方程中可以得到未知力X1和X2的數(shù)值，然后根據(jù)公式 M＝M1X1+M2X2計(jì)算出基礎(chǔ)沉降下橋梁結(jié)構(gòu)的彎矩圖，如圖2所示：

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)彎矩圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以知道當(dāng)橋梁不均勻沉降差為5mm時，翼緣板會產(chǎn)生47.9kN·M的彎矩，將結(jié)構(gòu)自重和活荷載組合在一起，就能得到行車道板上的最大負(fù)彎矩。

1.3 數(shù)值分析確定橋梁結(jié)構(gòu)中配筋情況

通過數(shù)值分析軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算分析，通過計(jì)算結(jié)果可知，裂縫寬度符合規(guī)范要求，說明經(jīng)過加固處理后，配筋情況能夠滿足橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用，確定截面配筋情況如下表所示：

表1 矩形截面配筋數(shù)據(jù)

表2 矩形截面配筋計(jì)算表

2 橋梁基礎(chǔ)沉降控制方法分析

減少橋梁基礎(chǔ)沉降的方法一般是進(jìn)行地基加固，橋梁基礎(chǔ)建設(shè)中經(jīng)常遇到淤泥和淤泥質(zhì)土、充填土、雜填土等，這些都需要進(jìn)行地基的加固處理，從而提高土體的壓縮性和承載力，減少地基不均勻沉降，常見的地基處理加固方法有換土墊層法、擠密壓實(shí)法、排水固結(jié)法、攪拌樁法以及灌漿膠結(jié)法等。

2.1 換土墊層法

這種方式是將基礎(chǔ)下面承載能力不符合要求的土體取出，然后換填為壓縮性較好的混凝土，能夠處理中小橋的地基沉降問題。換填土能夠有效提高地基承載能力，將軟弱土層調(diào)整到下臥層位置，減少軟弱土的附加應(yīng)力，從而隨著深度的增加提高容許承載力。換填的混凝土能夠顯著的減少基礎(chǔ)沉降量，并且由于混凝土擠壓下部軟弱土，能夠使得軟弱土中的水分有效排出，加快土體的強(qiáng)度增加速度。

換填混凝土要具有足夠的厚度和寬度，滿足設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)要求，以抵抗土體的剪切和擠壓變形，換填厚度可以通過工程實(shí)用簡化計(jì)算法或地基變形計(jì)算確定，換填寬度的計(jì)算根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)值確定。

2.2 橋梁樁基礎(chǔ)的沉降控制

樁基礎(chǔ)的類型不同，施工工藝和沉降控制的方式也不同，這里重點(diǎn)介紹幾種常見的樁基礎(chǔ)沉降控制方法。

混凝土預(yù)制樁，預(yù)制樁的強(qiáng)度等級要滿足設(shè)計(jì)等級要求，起吊、運(yùn)輸和沉樁混凝土強(qiáng)度要達(dá)到一定的要求，檢驗(yàn)鋼筋骨架和偏差要在一定的范圍內(nèi)，保持樁身表面平整、密實(shí)。打樁過程中，樁的標(biāo)高和貫入度、節(jié)點(diǎn)處理等要符合要求，樁的傾斜偏差不能大于傾斜角正切值的15%。

混凝土灌注樁采用的混凝土和材料要符合規(guī)范要求，保證成孔質(zhì)量，實(shí)際澆筑時混凝土用量要稍大于計(jì)算體積，澆筑完成后樁頂標(biāo)高、鋼筋骨架標(biāo)高以及浮漿的處理都要符合施工規(guī)范。挖孔樁的中心線和樁中心線要重合，軸線偏差控制在20mm以內(nèi)，護(hù)壁混凝土和護(hù)壁直徑要符合要求。鋼筋骨架的搭接、焊接接頭長度和錯開距離要付設(shè)計(jì)規(guī)范要求，焊點(diǎn)要嚴(yán)密、堅(jiān)固，不能出現(xiàn)過多的漏焊點(diǎn)。

鋼管樁要具有出廠合格證和試驗(yàn)報(bào)告，在地下水侵蝕地區(qū)使用時要做好防腐處理，接頭處的焊縫誤差要符合要求，按照接頭總數(shù)的20%進(jìn)行超聲波檢查，探傷檢查的不能少于3個接頭。

2.3 橋梁沉井基礎(chǔ)沉降控制

沉井工程中的鋼筋、混凝土、模板、砌磚等要符合相關(guān)施工規(guī)范的要求，保證混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B等級符合設(shè)計(jì)規(guī)定，下放到設(shè)計(jì)高度時檢查基底情況，確認(rèn)無誤后進(jìn)行封底。當(dāng)沉井出現(xiàn)裂縫時要及時查明原因，進(jìn)行處理，保證沉井的外壁無雜物，磚石砌筑的沉井要在外壁上涂抹一層水泥砂漿。

3 結(jié)論

橋梁基礎(chǔ)沉降會對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響，短時間內(nèi)不是很明顯，但經(jīng)過一定的過程后會在上部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大附加彎矩和附加應(yīng)力，從而影響橋梁的正常使用，嚴(yán)重時發(fā)生垮塌，基礎(chǔ)沉降是橋梁損壞的重要原因之一。

通過對基礎(chǔ)產(chǎn)生沉降的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理，并根據(jù)計(jì)算確定橋梁彎矩和受力情況，在上部結(jié)構(gòu)中增加加固鋼筋，能夠有效的處理結(jié)構(gòu)變形問題，阻止橋梁出現(xiàn)過大裂縫，延長橋梁的使用壽命和耐久性。

基礎(chǔ)沉降的處理方法可以采用換填的方式將軟土取走，改換為剛性基礎(chǔ)，采用樁基礎(chǔ)時要嚴(yán)格確保設(shè)計(jì)和施工都滿足相應(yīng)規(guī)范，形成良好的復(fù)合地基，加固地基，從而減少基礎(chǔ)的沉降。沉井基礎(chǔ)能夠代替原有地基參與受力，對處理基礎(chǔ)沉降也具有較好的效果，但施工相對麻煩。

［1］趙明華，徐學(xué)燕.基礎(chǔ)工程[M].北京：高等教育出版社，2003.

［2］彭振斌.地基處理工程設(shè)計(jì)計(jì)算與施工[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1997.

［3］陳國興，金永彬，宰金眠.高層建筑樁基礎(chǔ)沉降分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[J].南京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，52（1）：1-9.

［4］張松巖.秦沈客運(yùn)專線橋梁樁基工后沉降計(jì)算方法探討[D].西南交通大學(xué)，2005.

［5］葉見曙，華斌，鞠金熒.預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁拓寬的若干問題探討[C]//高速公路擴(kuò)建工程技術(shù)研討會論文集.2004.

［6］王學(xué)軍.基礎(chǔ)沉降對加寬橋梁上部構(gòu)造的影響分析[J].河北工業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，17（2）：31-34.