軟土地基上堆載對(duì)鄰近橋梁樁基的影響

■王劍文(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州　350004)

軟土地基上堆載對(duì)鄰近橋梁樁基的影響

■王劍文
(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州350004)

摘要針對(duì)近年來工程中頻繁出現(xiàn)的軟土地基上側(cè)向堆載導(dǎo)致橋墩樁基滑移的問題，本文以福州閩侯荊溪特大橋的6個(gè)墩位為研究對(duì)象，對(duì)其下部結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)，并利用有限元軟件建立模型進(jìn)行分析計(jì)算，提出了不同的加固和治理措施，同時(shí)對(duì)橋側(cè)軟基上堆載問題提出了不同的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞軟土地基被動(dòng)樁堆載土體側(cè)移

在路基和橋梁等建設(shè)工程中，往往因地基土的工程性質(zhì)較差，使得在土體上的堆載誘發(fā)土體發(fā)生較大側(cè)向位移，使鄰近樁基礎(chǔ)受到附加水平荷載的作用，嚴(yán)重影響樁的承載性能乃至上部結(jié)構(gòu)的破壞，這類樁即稱作“被動(dòng)樁”。被動(dòng)樁問題有著深刻的工程背景和慘痛的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，特別是近年來橋梁堆載問題日益突出。本文結(jié)合實(shí)際工程，選用位于福州市閩候縣荊溪鎮(zhèn)境內(nèi)的荊溪特大橋6個(gè)墩位進(jìn)行模擬分析，得出在堆載下大橋橋墩發(fā)生位移破壞的機(jī)理，同時(shí)，采用幾種措施對(duì)荊溪特大橋段落進(jìn)行防護(hù)與整治。

1　工程概況

荊溪特大橋工程屬于國道主干線福州繞城公路西北段。本橋位于福州市閩候縣荊溪鎮(zhèn)境內(nèi),自西向東跨越荊溪、規(guī)劃江濱路與115縣道交叉口。本橋平面位于R＝5000m、R＝1400m和R=1900m的圓曲線以及緩和曲線或直線段上，橋上縱坡最大不超過1.3%。

荊溪特大橋共長(zhǎng)3614.5m，上部結(jié)構(gòu)采用25聯(lián)30m左右跨PC連續(xù)T梁及一聯(lián)PC連續(xù)變截面懸澆箱梁(箱梁共長(zhǎng)247m)，如圖1所示。

(a）橋平面示意圖

圖1　荊溪特大橋示意圖

2　橋梁病害分析

(1）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

項(xiàng)目業(yè)主委托某檢測(cè)單位對(duì)橋梁樁基位移進(jìn)行了檢測(cè)，由于是發(fā)現(xiàn)個(gè)別伸縮縫及路面標(biāo)志線存在明顯錯(cuò)移后，才開始對(duì)橋墩位移進(jìn)行觀測(cè)，因此，本階段橋墩位移觀測(cè)未觀測(cè)到橋墩的全部位移。

橋墩側(cè)的土體深層水平位移呈南北向反復(fù)位移現(xiàn)象，經(jīng)分析，認(rèn)為主要是：橋墩位于20多米深的軟土淤泥層中，且橋墩在南側(cè)堆土(高度約5m，如圖2所示，在8月中旬進(jìn)行了卸土）、卸土、土方車輛等荷載及橋梁上的行駛的車輛荷載等影響下，出現(xiàn)位移無明顯規(guī)律的情況。9月中旬后，土體深部水平位移趨勢(shì)減小，說明土方荷載對(duì)橋墩側(cè)土體的深部水平影響較顯著。

橋墩的水平位移，在8月上旬期間位移速率較大，之后位移速率趨于收斂。其中64-1、65-1、66-1、67-4、69-1、70-1、71-3橋墩水平位移較大，其中最大偏移量為69-4的橋墩位置，最大偏移量達(dá)到了0.080m。橋墩南側(cè)堆土、卸土、土方車輛荷載及橋梁上的行駛的車輛荷載對(duì)橋墩水平位移都有影響；受堆土、卸土影響較大，土方卸載后，橋墩水平位移大多有向卸載區(qū)域方向發(fā)展的趨勢(shì)。

圖2　荊溪特大橋堆載示意圖

(2）建立理論模型

本章采用巖土軟件GeoStudio中的Sigma/W模塊來對(duì)堆載作用下的荊溪特大橋進(jìn)行二維有限元分析，模擬并計(jì)算堆載荷載對(duì)橋梁樁基所產(chǎn)生的內(nèi)力和位移。采用計(jì)算模型見圖3，計(jì)算范圍100m寬，有限元模型計(jì)算網(wǎng)格(不含樁頭承臺(tái)），邊界約束條件采用左邊界水平約束，右邊界和底邊界固定約束。由于在模擬過程中考慮橋梁樁基本身尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響，不能忽略其尺寸效應(yīng)，故采用梁?jiǎn)卧?。地下水位埋深假定?m，根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，土層自上到下分別為軟土、卵石、粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化。堆載土為粘土，為計(jì)算方便，不考慮分層堆載計(jì)算時(shí)間為15d。橋梁樁基設(shè)1.5m高系梁，樁徑1.8m，在橋面施加20kPa的公路行車荷載。

軟土采用修正劍橋模型。橋身鋼筋混凝土材料選用各向異性線彈性模型，其中混凝土彈性模量取值18GPa，鋼筋取值200GPa，其余土層采用線彈性模型。

圖3　計(jì)算模型

(3）理論模型分析

荊溪特大橋在右幅橋墩的64#～71#右側(cè)存在不同規(guī)模的堆載，選取堆載規(guī)模較大且較典型的64#、65#、66#、69#和70#五個(gè)橋墩進(jìn)行分析計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。這5個(gè)橋墩的計(jì)算最大橫向位移分別為：0.8cm、1.8cm、2.3cm、5.4cm和2.7cm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分別為：1.7cm、2.3cm、3.0cm、8cm和3.1cm，理論結(jié)算結(jié)果均略小于其檢測(cè)結(jié)果，可能原因是地質(zhì)參數(shù)的差別和忽略了堆載的長(zhǎng)期作用下土的蠕變效應(yīng)，以及橋梁的施工質(zhì)量與理論模型存在差異性，因此，計(jì)算結(jié)果小于實(shí)測(cè)結(jié)果。但其規(guī)律基本相同，可用于計(jì)算分析。

根據(jù)計(jì)算和檢測(cè)結(jié)果，其中64#橋墩位移較小，可考慮不采取措施，65#、66#和70#橋墩均出現(xiàn)一定程度的位移，需考慮進(jìn)行一定的加固與防治措施，69#橋墩處位移較大，對(duì)橋梁使用性能造成影響，必須采取加固措施。因此，以位移最大的69#橋墩為例，采取先卸載再對(duì)橋墩進(jìn)行加固的方式進(jìn)行治理。將堆載進(jìn)行卸載是最簡(jiǎn)單的處理方式，對(duì)69#墩附近的堆載進(jìn)行卸載，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4　卸載計(jì)算結(jié)果分析

可以看出，左右樁基出現(xiàn)明顯位移變化，在卸載前，左樁基最大位移達(dá)到5.44cm，右樁基最大位移達(dá)到5.2cm，卸載后，左樁基最大位移恢復(fù)到4cm，右樁基最大位移恢復(fù)到5.2cm，分別回正了1.45cm和1cm。說明卸載對(duì)于橋梁樁基存在一定的控制作用，預(yù)防了橋梁位移進(jìn)一步偏移，但由于作用有限。對(duì)于規(guī)模較小的堆載，可簡(jiǎn)單采用卸載方式。

在對(duì)堆載進(jìn)行卸載后，可采用以下方法對(duì)橋墩進(jìn)行加固：

①增大截面法：在墩柱的表面增加混凝土并配置縱、橫向鋼筋，縱筋必須錨固在承臺(tái)中。承臺(tái)也相應(yīng)進(jìn)行加固。增大截面加固法通常采用的型式有圓形、矩形；加固方式可分為全截面加固和部分截面加固。

②外包鋼管法：圓形橋墩采用薄鋼管外包塑性鉸區(qū)的加固技術(shù)時(shí)，宜采用兩塊半圓形的鋼管現(xiàn)場(chǎng)沿豎向接縫焊接而成，鋼管的內(nèi)徑比橋墩直徑略大，空隙中灌注微膨脹水泥砂漿，鋼管的下端與承臺(tái)頂面應(yīng)有40mm的間隙。

③粘貼纖維復(fù)合材料法：纖維復(fù)合材料適用于鋼筋混凝土墩柱的延性加固。

(4）提出預(yù)防措施

同樣，經(jīng)過建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬分析，可得以下幾種較少樁基橫向位移的預(yù)防措施。

①地基換填土：換填后最大位移由原來的5.4cm減少至4.3cm，變化不明顯，因此該法適用于軟基層較薄，或者荷載較小的情況；

②隔離樁：在模型中堆載和橋梁之間加一隔離樁(樁徑2m，樁長(zhǎng)23m，嵌入卵石層)，最大位移由原來的5.4cm減少至4.7cm，變化不明顯，因此該法適用于軟基層較薄，或者荷載較小的情況；

③復(fù)核地基：在模型中加入小直徑旋挖成孔灌注樁(樁徑1m，樁間距1m) ,最大位由原來的5.4cm減少至1.5cm，效果顯著。該方案對(duì)于防治軟土地基上的堆載引起的橋梁樁基位移有著明顯的效果，但此方案造價(jià)偏高，因此在選用時(shí)需考慮其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

3　結(jié)論

(1）針對(duì)荊溪特大橋工程而言，64#橋墩位移較小，可考慮不采取措施，65#、66#和70#橋墩均出現(xiàn)一定程度的位移，需考慮進(jìn)行一定的加固與防治措施，69#橋墩處位移較大，對(duì)橋梁使用性能造成影響，必須采取加固措施。

(2）以位移最大的69#橋墩進(jìn)行分析，采取了幾種不同的加固和防治措施，并進(jìn)行模擬分析。在堆載后進(jìn)行卸載，橋梁樁基位移回正了1~1.5cm。說明卸載對(duì)于橋梁樁基存在一定的控制作用，預(yù)防了橋梁位移進(jìn)一步偏移，但由于作用有限。對(duì)于規(guī)模較小的堆載，可簡(jiǎn)單采用卸載方式。

(3）采用換填土和旋挖樁復(fù)合地基的方法對(duì)軟基進(jìn)行處理，其中換填土法使得橋梁位移減小了1.1cm，對(duì)于橋梁樁基存在一定的控制作用，適用于軟基層較薄，或者荷載較小的情況；旋挖樁復(fù)合地基的方法減小到原來位移的1/3不到，起到了明顯的控制作用，大大減小了橋梁的位移，此方法對(duì)于防治軟土地基上的堆載引起的橋梁樁基位移有著明顯的效果。

(4）在堆載和橋梁之間加入隔離樁的方法，使得橋梁樁基位移平均減小0.65cm，效果不明顯。

(5）從原則上應(yīng)防止在橋梁兩側(cè)進(jìn)行任意堆載，若迫不得已需要進(jìn)行堆載時(shí)，應(yīng)采取預(yù)防措施，預(yù)防效果最好的是地基加固法，但造價(jià)偏高，需考慮其經(jīng)濟(jì)因素；建議采用換填土或加固樁的方法。

參考文獻(xiàn)

[1]De Beer E.E.The effects of horizontal loads on piles due to surcharge or seismic effects.Proc.9th ICSMFE, Tokyo,1977,3:547-558.

[2]Leussink H,Wenz K.P.Storage Yard foundations on soft cohesive soils.Proc.7th ICSMFE,Mexico,1969,2:149-155.

[3]陸振華.軟土地基橋臺(tái)樁基病害及措施[J].廣東科技, 2010, 235: 147-148.

[4]聶如松,冷伍明,楊奇等.填土荷載對(duì)鄰近樁排影響的有限元分析[J].公路交通科技,2008,25(4): 73-78.

[5]吳江斌,王衛(wèi)東.大面積填土對(duì)鄰近樁基影響的分析與技術(shù)措施[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2010,6(3): 582-587.

[6]胡建榮.軟土地區(qū)路堤堆載下橋臺(tái)樁基側(cè)向變形性狀研究[D].浙江大學(xué),2010.

[7]GEO-SLOPE International Ltd.巖土應(yīng)力變形分析軟件SIGMA/W用戶指南[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011.