不良地質(zhì)下橋梁樁基脫空的應(yīng)對(duì)措施及模擬分析

張世冀　稅銀平

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司　貴陽　550081)

不良地質(zhì)下橋梁樁基脫空的應(yīng)對(duì)措施及模擬分析

張世冀稅銀平

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司貴陽550081)

摘要某橋梁地處貴州山區(qū)，橋下溶洞發(fā)育豐富，由于地質(zhì)的復(fù)雜性與地勘不詳?shù)仍?，橋梁出現(xiàn)了樁基脫空的現(xiàn)象。文中通過實(shí)地勘測(cè)與理論計(jì)算相結(jié)合，采用“移動(dòng)樁基、加強(qiáng)承臺(tái)”的方法確保了橋梁下部的安全。

關(guān)鍵詞樁基脫空不良地質(zhì)加固

1工程概況及問題

杭瑞高速貴州境畢節(jié)地區(qū)地處貴州高原西部高原山地區(qū)，受侵蝕-溶蝕影響，地形條件較為復(fù)雜。區(qū)域基巖為灰白夾灰黃色強(qiáng)-中風(fēng)化破碎白云質(zhì)灰?guī)r，且場(chǎng)區(qū)附近屬侵蝕-溶蝕低中山斜坡地貌，溶洞發(fā)育豐富。在橋梁下部樁基的施工過程中難度大，要求地勘精度高，如果地質(zhì)勘查不仔細(xì)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)樁脫空這類問題。

某24.5 m路基寬40 m多跨連續(xù)T梁橋(三跨一聯(lián))7號(hào)墩下地質(zhì)情況見圖1，承臺(tái)平面8×7.5 m，高2 m；承臺(tái)上接60 m矩形實(shí)體橋墩，矩形墩截面尺寸6.5 m×2.6 m；下接1.8 m嵌巖樁基4根，順橋向樁基間距4.5 m，橫橋向樁基間距5 m。

該區(qū)域樁基覆蓋層為第四系殘坡積(Qel+dl)含碎石粉質(zhì)粘土，持力層為灰白夾灰黃色強(qiáng)-中風(fēng)化破碎白云質(zhì)灰?guī)r(frk=15 MPa)，樁基按嵌巖樁設(shè)計(jì)[1]。由于地質(zhì)的復(fù)雜性與地勘不詳?shù)仍?，施工中樁基出現(xiàn)脫空現(xiàn)象(認(rèn)為樁基對(duì)結(jié)構(gòu)受力不起有利作用)。為減少經(jīng)濟(jì)損失、保障生產(chǎn)周期，并保證工程結(jié)構(gòu)安全，經(jīng)實(shí)地勘測(cè)后設(shè)計(jì)中決定采用“樁基外移，承臺(tái)加強(qiáng)”的方法，避開溶洞發(fā)育區(qū)域，見圖2，為減小由于承臺(tái)一側(cè)剛度減小而產(chǎn)生的橋墩橫向傾斜問題，承臺(tái)加厚0.55 m，以滿足下部承臺(tái)抗裂及承載能力要求。

圖1地質(zhì)斷面圖圖2承臺(tái)樁基圖

2承臺(tái)受力分析方法

由于增加了樁基根數(shù)，本方法可以保證樁基受力上的安全，但增加了承臺(tái)受力的復(fù)雜性。承臺(tái)作為“承上啟下”的傳力結(jié)構(gòu)，承受橋墩傳遞的軸力、彎矩及剪力作用，下面受到5根樁基的不均勻支撐。根據(jù)《公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[2],承臺(tái)外排樁中心距離承臺(tái)邊緣等于或小于承臺(tái)高度時(shí)，承臺(tái)按“撐桿-系桿”方法計(jì)算承臺(tái)截面。鑒于承臺(tái)受力的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)中采用大型有限元計(jì)算分析軟件Midas civil 2012作為結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算的手段，建立結(jié)構(gòu)離散實(shí)體三維模型見圖3，模型共有單元數(shù)9 211，節(jié)點(diǎn)數(shù)2 418。承臺(tái)上部作用力可以通過對(duì)橋梁建立全橋模型整體受力分析取得，并施加于實(shí)體模型上。

圖3承臺(tái)實(shí)體模型圖

3承臺(tái)應(yīng)力結(jié)果及分析

承臺(tái)下部樁基脫空以下部受拉為特征，故分析中主要以承臺(tái)下底面為主。承臺(tái)應(yīng)力及位移計(jì)算結(jié)果及分析如下。

(1) 經(jīng)分析計(jì)算承臺(tái)底部X方向主應(yīng)力Sx見圖4,在原有樁基缺失部位出現(xiàn)拉應(yīng)力4.86 MPa；在既有樁基頂部位出現(xiàn)壓應(yīng)力4.97 MPa。樁基脫空對(duì)承臺(tái)下底面應(yīng)力影響較大(數(shù)值大小而言)，局部應(yīng)力變化：①承臺(tái)底拉應(yīng)力區(qū)域有向另一側(cè)擴(kuò)展的趨勢(shì)；②由于拉應(yīng)力區(qū)域剛度減小，橋墩有橫向傾斜的趨勢(shì)。設(shè)計(jì)中采取的措施：①根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果增加樁基脫空區(qū)配筋設(shè)計(jì)；②增加承臺(tái)的剛度以防止樁基脫空一側(cè)出現(xiàn)橫向傾斜。

圖4承臺(tái)應(yīng)力Sx

(2) 經(jīng)分析計(jì)算承臺(tái)底部Y方向主應(yīng)力Sy見圖5,在樁基分布中心部位出現(xiàn)拉應(yīng)力1.31 MPa；在既有樁基頂部位出現(xiàn)壓應(yīng)力1.48 MPa。樁基脫空對(duì)承臺(tái)下底面應(yīng)力影響較小(數(shù)值大小而言)，且出現(xiàn)了局部應(yīng)力變化：①樁基分部中心部位拉應(yīng)力區(qū)域變大，豎向有向樁基脫空部位擴(kuò)展的趨勢(shì)，橫向有向右側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)；②脫空一側(cè)應(yīng)力增大，有出現(xiàn)拉應(yīng)力的趨勢(shì)，但由于樁基間距較小，尚未出現(xiàn)拉應(yīng)力，未影響到結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計(jì)中可根據(jù)應(yīng)力大小情況采用增強(qiáng)底部配筋保證結(jié)構(gòu)安全。

圖5　承臺(tái)應(yīng)力Sy

(3) 經(jīng)分析承臺(tái)在受力中的位移量見圖6,在樁基脫空承臺(tái)一側(cè)剛度減弱的情況下，橋墩發(fā)生傾斜，故設(shè)計(jì)中采用增加承臺(tái)高度處理。在增加承臺(tái)高度前，橋墩傾斜角度為0.33°，承臺(tái)所屬7號(hào)墩墩高60.1 m，由此產(chǎn)生的墩頂位移為34.5 cm,位移與傾角較大，不滿足橋墩墩頂位移及轉(zhuǎn)角要求；在增加承臺(tái)高度后，橋墩傾斜角度為0.13°，承臺(tái)所屬7號(hào)墩墩高60.1 m，由此產(chǎn)生的墩頂位移為13.6 cm，滿足橋墩墩頂位移及轉(zhuǎn)角要求。

圖6　承臺(tái)位移圖

(4) 計(jì)算結(jié)果。承臺(tái)亦可看做厚度較大的板，承臺(tái)受力某些方面與結(jié)構(gòu)理論中單向板、雙向板受力理論一致。對(duì)于本橋承臺(tái)，設(shè)計(jì)中承臺(tái)以橫向受力為主，豎向受力為次。根據(jù)受力特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)在承臺(tái)橫向特別是樁基脫空區(qū)域根據(jù)應(yīng)力大小配置足夠數(shù)量的鋼筋以滿足承臺(tái)的承載能力及正常使用要求，同時(shí)增大厚度以彌補(bǔ)由于樁基脫空支撐跨度增大造成的剛度缺失，防止橋墩及上部結(jié)構(gòu)橫向位移過大，影響結(jié)構(gòu)安全與行車舒適。

4結(jié)語

承臺(tái)樁基脫空在貴州省侵蝕-溶蝕影響的地質(zhì)條件下經(jīng)常存在，研究此類問題對(duì)于西南地區(qū)地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域的橋梁建設(shè)很有意義。承臺(tái)作為深受彎構(gòu)件，在通常的規(guī)范及設(shè)計(jì)計(jì)算中常以“撐桿-系桿”法計(jì)算，此類方法計(jì)算簡(jiǎn)單結(jié)果相對(duì)保守，且對(duì)于復(fù)雜情況下的承臺(tái)不容易簡(jiǎn)化，限制了其使用的便利性[3]。對(duì)于本橋設(shè)計(jì)中的復(fù)雜受力狀態(tài)，則必須借助大型有限元設(shè)計(jì)軟件才能計(jì)算清楚。本文通過采用“移動(dòng)樁基、加強(qiáng)承臺(tái)”的方法，一方面滿足樁基的傳力要求，保證樁基受力的安全；另一方面通過借助有限元方法詳細(xì)計(jì)算承臺(tái)受力，并根據(jù)承臺(tái)應(yīng)力大小配置足夠數(shù)量的鋼筋保證承臺(tái)的承載能力及正常使用要求，同時(shí)增大承臺(tái)高度以降低由于樁基脫空造成的剛度缺失[4]。通過以上分析和計(jì)算，結(jié)合本橋?qū)嶋H施工，無論理論值與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，還是具體施工都表明本計(jì)算方法是合理、適用的，采用“移動(dòng)樁基、加強(qiáng)承臺(tái)”的方法確保了橋梁下部的安全，對(duì)于以后類似問題的處理有很強(qiáng)的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]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].北京：人民交通出版社，2004.

[2]JTG D63-2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，2007.

[3]工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].4版. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[4]公路橋涵設(shè)計(jì)手冊(cè).墩臺(tái)與基礎(chǔ)[M].2版. 北京：人民交通出版社，2013.

收稿日期：2014-09-30

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.008