某預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋承臺及樁基礎(chǔ)加固計算

馬新勇，陳 濤

（中交瑞通路橋養(yǎng)護(hù)科技有限公司，陜西 西安 710075）

1 工程背景

某高速公路大橋，設(shè)計荷載等級為公路-Ⅰ級。橋面全寬24.5 m，左、右幅分離，整體式路基。橋梁上部結(jié)構(gòu)形式為5×40 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁；下部結(jié)構(gòu)形式為雙柱式墩，灌注樁基礎(chǔ)，2#、3#墩采用墩梁固結(jié)，其余墩臺為板式橡膠支座，樁基為嵌巖樁，其中2號墩墩高25.72 m，為本橋最大墩高。橋梁結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 原橋整體模型示意圖

2013-07，橋址所處地區(qū)發(fā)生6.6級地震，震后橋位所在地區(qū)連降大雨。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，上部預(yù)制箱梁總體狀況較好；大部分支座出現(xiàn)沿前進(jìn)方向或前進(jìn)方向左偏的剪切變形；下部左、右幅2#墩墩頂出現(xiàn)環(huán)向裂縫，且傾斜變位超出規(guī)定限值［1］，樁間系梁及樁頂部分外露，樁頂裸露部分出現(xiàn)環(huán)向裂縫。

2 病害成因及加固措施

2.1 病害成因分析

本橋橫跨V形溝，橋梁建成后，為恢復(fù)當(dāng)?shù)氐母?，在橋梁的?、2跨的橋下及兩側(cè)進(jìn)行了填土，填土最大高度約10 m，沿縱橋向長約50 m，沿橫橋向長約150 m。土體受地震影響發(fā)生松動，震后又連續(xù)降雨，處于V形溝邊坡上的強風(fēng)化泥巖在雨水的浸潤下軟化，于強風(fēng)化與弱風(fēng)化泥巖交界面或強風(fēng)化與填土交界面形成滑動面，導(dǎo)致土體出現(xiàn)與橋梁路線前進(jìn)左偏呈大致30°~40°的滑移。土體滑坡位置及方向如圖2所示。

2#橋墩(雙柱式橋墩)墩高約25 m，蓋梁和上部箱梁固結(jié)，樁基為嵌巖樁，嵌入弱風(fēng)化泥巖約5 m，在斜向滑移體的土壓力作用下，墩身發(fā)生變形。由于土壓力的橫橋向分力相對較小，橋墩本身橫橋向剛度相對較大，故橫橋向變位較小；滑移體土壓力的縱橋向分力相對較大，墩身縱橋向剛度相對較小，故在墩身下部土壓力作用位置附近產(chǎn)生較大順橋向的變形，同時墩身上部受梁體約束，產(chǎn)生反方向較小變形，形成 S形的變形，如圖3所示。

圖2 滑坡位置及方向示意圖

圖3 左幅橋2#墩受滑坡作用后變形示意圖

2.2 加固設(shè)計思路

針對病害，為恢復(fù)橋梁使用功能，滿足原設(shè)計荷載的要求，采用以下加固思路：（1）橋墩墩身和基樁開裂影響其剛度和承載能力，墩柱傾斜變位影響下部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，需進(jìn)行必要的加固處理；（2）考慮基樁和墩柱受損嚴(yán)重，通過增設(shè)樁基和承臺，形成群樁基礎(chǔ)并保證荷載向新樁的傳遞；（3）通過墩身外包30 cm混凝土加厚層及增設(shè)柱中橫系梁的方法提高橋墩整體剛度、強度和穩(wěn)定性。加固措施及處置如圖4所示，有限元模型如圖5所示。

3 加固計算有限元模型分析

基礎(chǔ)地面埋置于局部沖刷線以下深度h，當(dāng)αh>2.5時，按彈性基礎(chǔ)計算，需要考慮基礎(chǔ)本身的變形影響；當(dāng)αh≤2.5時，按剛性基礎(chǔ)計算，不考慮基礎(chǔ)本身變形的影響［2］。關(guān)于公路橋梁樁基在橫向荷載作用下樁身內(nèi)力與位移的計算，應(yīng)用較廣的為m法［3］。本例橋位地質(zhì)情況為：表面覆蓋1~9 m的黃土，中間層為0.9~5 m強風(fēng)化泥巖，下臥層為弱風(fēng)化泥巖，按彈性樁基礎(chǔ)m法計算。

圖4 2#橋墩加固示意圖及有限元加固計算模型

圖5 有限元模型

（1）彈性基礎(chǔ)樁的計算寬度b1

本項目加固后增補的新樁直徑d=1 m，b1采用式（1）進(jìn)行計算［4］。

對單排樁或L1<0.6h1的多排樁，采用式（2）計算

式中：b1為樁的計算寬度，b1≤2d；D為樁徑或者垂直于水平外力作用方向樁的寬度；kf為樁形狀換算系數(shù)，圓截面kf=0.9；k為平行于水平力作用方向的樁間相互影響系數(shù)；L1為平行于水平力方向的樁間凈距；h1為地面或局部沖刷線以下樁的計算深度；b2為與平行于水平力作用方向的排樁數(shù)量n有關(guān)的系數(shù)，n=2時，b2=0.5。

（2）土的地基比例系數(shù)m

對于彈性樁，采用Midas中節(jié)點彈性支撐模擬，彈簧剛度的計算可以參考文獻(xiàn)［2］附錄P提供的方法。首先根據(jù)地質(zhì)情況和計算精度要求將樁分成若干段，然后確定每段樁的計算寬度b1、地基水平抗力系數(shù)CZ、該段樁的長度L，上述3個數(shù)的乘積為彈簧的水平剛度，一般水平X、Y方向的剛度相同。樁底的彈簧剛度可由樁的截面積和地基豎向抗力系數(shù)的乘積得到。

非巖石類土的比例系數(shù)m見表1。當(dāng)hm深度內(nèi)存在2層不同的土?xí)r（深度記為h1、h2，對應(yīng)的m值為m1、m2），采用式（3）計算m值：

當(dāng)hm深度內(nèi)存在3層不同的土?xí)r（深度記為h1、h2、h3，對應(yīng)的m值為m1、m2、m3），采用式（4）計算m值：

巖石地基的地基系數(shù)c0不隨巖層面的埋置深度而變，其值按表2采用。

表1 非巖石類土的比例系數(shù)m值表

表2 巖石地基系數(shù)c0值表

4 加固前、后計算對比

柱下承臺及樁基礎(chǔ)加固前、后計算荷載工況組合如表3所示。柱下承臺及樁基礎(chǔ)加固前、后計算結(jié)果如表4和表5所示。

表3 柱下承臺及樁基礎(chǔ)加固前、后荷載工況組合

表4 加固前橋墩、樁基承載力計算結(jié)果

表5 加固后橋墩、樁基承載力計算結(jié)果

由加固前后對比計算結(jié)果（表6）可以看出，加固前樁柱承載力、裂縫寬度均不滿足規(guī)范要求，加固后樁柱承載力、裂縫寬度均滿足規(guī)范要求。

表6 加固前、后樁基豎向承載力對比

5 結(jié)論

（1）通過加固提高了受損橋墩樁基豎向及樁身承載能力；恢復(fù)了橋墩垂直度，提高受損墩身的承載力；增強了受損橋墩整體剛度及穩(wěn)定性；提高了耐久性，恢復(fù)了受損構(gòu)件的使用功能。

（2）采用Midas橋梁專用計算程序可以通過施工階段聯(lián)合截面直觀模擬加固后橋墩外包混凝土的受力；通過節(jié)點彈性支撐單元對樁基礎(chǔ)進(jìn)行模擬分析，可以分階段考慮樁基礎(chǔ)的受力情況。

［1］JTG F80/1—2004公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］JTG D63/1—2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］凌治平，易經(jīng)武.基礎(chǔ)工程(公路與城市道路、橋梁工程專業(yè)用）［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［4］李連生.關(guān)于剛性基礎(chǔ)和彈性基礎(chǔ)判別問題的探討［J］.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2005，9（4）：3.