鄰近堆載及軟土地基對(duì)橋梁樁基影響及處治對(duì)策研究

饒建輝，劉其偉，王成明，楊 鵬

（1．江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司，江蘇 南京210004；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096）

高速公路跨越地區(qū)廣泛，沿線地質(zhì)條件復(fù)雜多變，特別是在高含水量、大孔隙比、高壓縮比和低強(qiáng)度的軟土地基上修建橋梁，會(huì)給橋梁樁基施工和養(yǎng)護(hù)運(yùn)營(yíng)帶來一系列的工程問題。

當(dāng)橋址下部存在較大厚度的軟土層時(shí)，一方面由于軟土具有較大的壓縮性，隨著上部路基填筑，軟土層在荷載作用下產(chǎn)生壓縮和側(cè)向位移，導(dǎo)致樁身?yè)锨蚨諛痘苿?dòng)，嚴(yán)重時(shí)將造成橋臺(tái)或近臺(tái)墩樁產(chǎn)生明顯移位甚至產(chǎn)生裂縫，影響橋梁結(jié)構(gòu)物的安全；另一方面，在路基高填土荷載的影響下，路基邊坡土體有可能在軟土層中形成貫通的滑動(dòng)面，當(dāng)橋臺(tái)樁基處于較深位置的滑動(dòng)體影響范圍內(nèi)時(shí)，滑動(dòng)帶以上部分土體的移動(dòng)或蠕動(dòng)將會(huì)對(duì)樁基產(chǎn)生相當(dāng)大的推力，導(dǎo)致樁基破壞。

本文將以某實(shí)際工程為例，研究在軟土地基條件下鄰近堆載對(duì)橋梁樁基受力及變形的影響，同時(shí)提出相應(yīng)的處治對(duì)策。

1 工程概況

某高速公路互通橋梁全長(zhǎng)1 122 m，為變異半直連+半苜蓿葉型，設(shè)有9條匝道，均為單向道匝道；主線設(shè)計(jì)車速120 km/h，被交道設(shè)計(jì)車速120 km/h，匝道設(shè)計(jì)速度40~60 km/h。該橋主線橋上部結(jié)構(gòu)為共14聯(lián)，其中第3、6、9、11聯(lián)采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，第6聯(lián)梁高1.6 m，第3、9、11聯(lián)梁高均為1.8 m；其余10聯(lián)上部結(jié)構(gòu)均為鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁，梁高1.3 m。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用肋板式橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋墩采用雙柱、三柱、四柱式混凝土墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。出現(xiàn)樁基病害的是該橋左幅31#墩、右幅32#墩，均為三柱式墩，典型斷面如圖1所示。

圖1 箱梁典型斷面圖（單位：cm）

2 立柱及相關(guān)構(gòu)件病害檢測(cè)

2013年底，養(yǎng)護(hù)單位在日常巡檢過程中發(fā)現(xiàn)該橋左幅31#墩、右幅32#墩處存在明顯異常。經(jīng)檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，左幅31#墩、右幅32#墩立柱均向南側(cè)發(fā)生不同程度的傾斜，而支座也隨之發(fā)生嚴(yán)重偏位，具體如下：

（1）左幅31#墩和右幅32#墩均為過渡墩，橋梁兩側(cè)兩聯(lián)箱梁位置總體上與施工結(jié)束后的狀態(tài)保持一致，即在不考慮收縮徐變、溫度伸縮等因素影響下，箱梁梁體基本未發(fā)生顯著的縱橫向移位。

（2）左幅31#墩1#立柱、2#立柱、3#立柱，右幅32#墩1#立柱、2#立柱整體朝南側(cè)傾斜，立柱下部偏位帶動(dòng)柱頂朝南側(cè)偏移，最終引起柱頂盆式支座出現(xiàn)較大的縱向滑移，如圖2所示；

（3）左幅31#墩1#立柱、2#立柱、3#立柱，右幅32#墩1#立柱、2#立柱頂面所有盆式支座滑動(dòng)面南側(cè)部分?jǐn)D出鋼盆，朝南側(cè)滑移趨勢(shì)均被阻斷，破壞嚴(yán)重；

（4）右幅32#墩3#立柱傾斜程度較小，其柱頂支座縱向滑移量較小，即柱頂相對(duì)梁端未發(fā)生太大的變位，但是該立柱因受到同一墩處相鄰兩立柱（系梁）的牽連作用，靠近地面處朝南側(cè)出現(xiàn)了2.5 cm的撓度，最終導(dǎo)致其南側(cè)表面環(huán)向開裂。

圖2 過渡墩支座上座板相對(duì)下座板縱向滑移偏位（單位：cm）

3 樁基側(cè)向受力分析

考慮鄰近匝道路基堆載以及軟土地基的綜合作用，對(duì)橋梁樁基變形及受力進(jìn)行計(jì)算分析，為探尋樁基傾斜的病害成因提供理論基礎(chǔ)。

考慮到樁基的存在限制了軟弱土層的側(cè)向變形，同時(shí)將堆載側(cè)土體位移引起的壓力傳遞到下部穩(wěn)定地基土層中的實(shí)際情況，在基樁受力分析時(shí)，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)，并結(jié)合上、下兩區(qū)樁土作用特點(diǎn)，建立如下樁身微分方程［1-3］：

式中：hs為地基滑動(dòng)面；k為下部穩(wěn)定土體地基抗力，k = mz。

被動(dòng)樁內(nèi)力計(jì)算首先需確定路堤堆載作用下淺層軟土側(cè)移引起的對(duì)橋墩樁基的推力p（z）。沈珠江院士基于散體極限平衡理論推導(dǎo)了土體沿水平方向繞樁滑動(dòng)時(shí)，圓形樁單位樁長(zhǎng)上的繞流阻力公式，見式（2）。

式中： dp為樁徑；σv為垂直應(yīng)力，計(jì)算中取為路堤堆載作用下樁基處地基附加應(yīng)力與地基土有效重度之和；c為地基黏聚力；φ為地基內(nèi)摩擦角；Cd為軟土繞流阻力系數(shù)。

該計(jì)算模式應(yīng)遵循如下基本假定：（1）土層無限廣闊并沿水平向?qū)Υ怪睒蹲飨鄬?duì)運(yùn)動(dòng)；（2）土層為理想的凝聚材料或莫爾-庫(kù)侖材料；（3）樁的表面絕對(duì)粗糙。

計(jì)算繞流阻力時(shí)，臨界樁間距Lc可按下式計(jì)算：

當(dāng)L

傾斜偏位基樁樁長(zhǎng)46 m，樁徑1.5 m，樁心距7.27 m，由式（3）計(jì)算得到軟土發(fā)生繞流的臨界樁間距Lc=3.75 m，由式（2）計(jì)算軟土繞流對(duì)樁基的推力。主動(dòng)區(qū)土層水平抗力k = m（z-hs），m=2 000 kN·m-4，軟土層厚度取12 m。

傾斜偏位樁基變位及受力計(jì)算結(jié)果如圖3所示。計(jì)算結(jié)果表明，在軟土地基條件下，鄰近匝道路基堆載造成排樁樁頂水平位移達(dá)7.86 cm，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角為0.5%。此時(shí)，樁身最大彎矩Mmax=3 340 kN·m，位于樁頂下13 m處。

圖3 樁基變形及受力隨深度的變化

4 樁基病害成因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況以及基樁側(cè)向受分析結(jié)果，樁基傾斜偏位的主要原因如下［4-8］：

（1）橋墩南側(cè)有一水塘，北側(cè)設(shè)有一匝道，其路面與立柱地面約5.6 m左右的高差，而匝道以及橋墩處地面以下存在約15 m厚的淤泥層，如圖4所示，土層工程性狀如表1所示。區(qū)域內(nèi)的淤泥未進(jìn)行加固處理，在附加應(yīng)力作用下，匝道路基下淤泥層朝南側(cè)移動(dòng)（匝道北側(cè)另有兩幅路基進(jìn)行過加固處理），由此帶動(dòng)基樁整體朝南傾斜，立柱下部移動(dòng)帶動(dòng)柱頂朝南側(cè)變位。

圖4 病害橋墩位置土體勘探情況

表1 淺埋軟土工程性質(zhì)指標(biāo)

（2）柱頂偏位之后，立柱呈偏心受壓狀態(tài)，隨著淤泥層變位的增加，樁基礎(chǔ)傾斜越來越顯著，偏心距也隨之增長(zhǎng)，立柱傾斜量值加劇，導(dǎo)致柱頂盆式支座縱向滑移偏大，鋼盆內(nèi)橡膠擠出，滑動(dòng)面發(fā)生局部破壞；

（3）夏天高溫時(shí)，橋墩北側(cè)梁體朝南側(cè)伸長(zhǎng)，但是由于盆式支座南側(cè)滑動(dòng)面破壞嚴(yán)重，同時(shí)梁端垃圾堵塞，北側(cè)橋孔梁端難以自由滑動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)橋墩繼續(xù)朝南偏位。

（4）冬天降溫時(shí)，橋墩北側(cè)梁體往北可以自由收縮滑移，但是由于支座南側(cè)滑動(dòng)面破壞嚴(yán)重，橋墩南側(cè)梁體往南收縮滑移受阻，進(jìn)而造成橋墩繼續(xù)朝南偏位。

5 維修處治對(duì)策

5.1 地基與基礎(chǔ)托換加固［9］

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的病害及成因分析，對(duì)病害橋墩進(jìn)行地基與基礎(chǔ)托換加固工作。

首先卸除匝道邊坡上附加增重的部分填土，堆放至隔離柵外側(cè)跨中部位，在發(fā)生偏位的排樁邊坡的適當(dāng)位置設(shè)置埋入式鉆孔灌注樁止滑，止滑樁設(shè)計(jì)應(yīng)考慮豎向承載力托換設(shè)計(jì)要求，與基樁損傷托換補(bǔ)樁相銜接；然后重新澆筑樁基和承臺(tái)，在南北向各布置一排樁，每排3根，如圖5所示。新布設(shè)的樁基直徑為150 cm，樁基礎(chǔ)中心距離舊樁中心為3.0 m，承臺(tái)尺寸為1 823 cm×850 cm×250 cm。

圖5 樁基平面布置（單位：cm）

5.2 立柱及支座維修處理［10］

在地基與基礎(chǔ)托換加固施工結(jié)束后，分階段地對(duì)橋梁立柱及支座進(jìn)行維修處理。

考慮到墩柱傾斜的現(xiàn)狀，決定在原立柱周圍采用環(huán)向鋼板立模，灌注細(xì)石混凝土和高強(qiáng)灌漿料，通過擴(kuò)大截面的方式將原立柱斷面擴(kuò)大、線形調(diào)直。該加固方案一方面可以對(duì)立柱進(jìn)行糾偏，將其軸線調(diào)回豎直狀態(tài)，保證后期運(yùn)營(yíng)的正常工作；另一方面，通過鋼管抱箍作用，進(jìn)一步增加立柱豎向承載力。

為保證立柱環(huán)向鋼板內(nèi)腔填充密實(shí)，考慮將立柱環(huán)形鋼板和內(nèi)腔填料分2階段施工，第1階段僅施工部分環(huán)向鋼板和內(nèi)腔填料，此區(qū)域可灌注微膨脹C40細(xì)石混凝土；第2階段施工剩余部分，此區(qū)域因內(nèi)部空間狹小，可采用C40高強(qiáng)灌漿料進(jìn)行填充。施工單位可根據(jù)施工設(shè)備和施工操作的空間需求，對(duì)每階段施工長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，如圖6所示。

圖6 立柱施工階段劃分示意圖（單位：cm）

待橋墩立柱加固完成后，通過同步頂升施工操作釋放墩帽水平約束，更換新支座。

6 結(jié)語

在軟土地基上修建公路橋梁時(shí)，下穿道路高填土路基的填筑荷載往往導(dǎo)致下臥軟土層固結(jié)沉降并產(chǎn)生側(cè)向變形，對(duì)臨近的橋梁樁基產(chǎn)生極為不利的影響，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

（1）下臥軟土層在路基填筑荷載作用下發(fā)生側(cè)向變形，擠壓樁身，使樁發(fā)生撓曲甚至斷裂；

（2）路基填土引起地基土固結(jié)，使臨近橋臺(tái)樁基受到負(fù)摩擦而下沉且多為不均勻沉降，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響；

（3）由于橋梁樁身發(fā)生偏位，加上一定出土轉(zhuǎn)角，橋梁立柱發(fā)生傾斜，進(jìn)而導(dǎo)致支座偏斜，給上部結(jié)構(gòu)帶來影響。

對(duì)于存在類似病害的橋梁，建議觀察立柱傾斜度發(fā)展?fàn)顩r以及立柱表觀的損傷狀況，當(dāng)出現(xiàn)立柱傾斜度發(fā)展較快、立柱損傷嚴(yán)重，且不具備人力糾偏的條件時(shí)，可考慮采用地基與基礎(chǔ)托換的方式進(jìn)行橋梁下部結(jié)構(gòu)的加固施工。

該橋經(jīng)維修加固至今已安全運(yùn)營(yíng)一年多時(shí)間，日常養(yǎng)護(hù)觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，該橋安全性及功能性均較為正常。

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［9］JTG D63—2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［10］JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.