河床防護(hù)層對(duì)橋梁群樁基礎(chǔ)承載性能影響的監(jiān)測(cè)分析

丁 迪，陳志堅(jiān)

河床防護(hù)層對(duì)橋梁群樁基礎(chǔ)承載性能影響的監(jiān)測(cè)分析

丁 迪，陳志堅(jiān)

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

基于蘇通大橋北主墩運(yùn)營期的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)樁身軸力進(jìn)行分析，進(jìn)而評(píng)價(jià)河床防護(hù)層對(duì)群樁基礎(chǔ)承載性能的影響。通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，樁身穿過河床防護(hù)層后的軸力及變化幅度均發(fā)生大幅衰減，這表明蘇通大橋所采用的河床防護(hù)層對(duì)于提高群樁基礎(chǔ)的承載性能和整體穩(wěn)定性，控制沉降，改善傳力機(jī)理等方面具有十分重要的意義。

承載性能；河床防護(hù)；河床沖刷；群樁基礎(chǔ)；樁身軸力

大型橋梁工程中，深水群樁基礎(chǔ)由于其自身具有的諸多優(yōu)勢(shì)而被大規(guī)模地使用。深水群樁基礎(chǔ)規(guī)模龐大，對(duì)河流水沙條件的影響比較強(qiáng)烈，尤其是對(duì)基樁為摩擦樁的群樁基礎(chǔ)（如蘇通大橋）而言，承載性能和安全穩(wěn)定性對(duì)河床條件非常敏感[1]。河床防護(hù)與橋梁建設(shè)息息相關(guān)，當(dāng)土性軟弱時(shí)，河床防護(hù)層對(duì)群樁基礎(chǔ)承載性能的影響更是至關(guān)重要的，具體的防護(hù)效果則需要根據(jù)實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)來進(jìn)一步地進(jìn)行分析驗(yàn)證。因此，本文以蘇通大橋北主墩運(yùn)營期樁身軸力監(jiān)測(cè)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，針對(duì)河床防護(hù)層對(duì)群樁基礎(chǔ)承載性能和受力安全性的影響進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，為橋梁深水群樁基礎(chǔ)的安全運(yùn)營提供了有效的保障。

1 工程概況

蘇通長江公路大橋位于南通市和蘇州（常熟）市之間，主航道橋?yàn)橹骺? 088 m的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，索塔高300.40 m，呈倒“Y”字型。橋位區(qū)處于長江下游潮汐河段，鄰近長江入?？冢盍骷?，水文和氣象條件復(fù)雜。其主塔墩采用了在建時(shí)世界上規(guī)模最大的超大型深水群樁基礎(chǔ)，平面面積達(dá)到5 603m2，承臺(tái)采用了變厚度梯形截面啞鈴型承臺(tái)。北主墩（主4#墩）和南主墩（主5#墩）均采用了131根上段直徑2.8 m、下段直徑2.5 m的大直徑、超長、變直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，呈梅花形布置[2]。橫橋向共布置9排樁，縱橋向每排布置12～17根樁，樁頂高程均為-7.0 m，樁底高程為-124.0 m（主4#墩）和-121.0 m（主5#墩）。

北主墩處的河床上覆土層主要為深厚、松散的粉細(xì)砂，從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所需要的水流速度較小，局部沖刷過程嚴(yán)重[3]?；诒Ｗo(hù)河床免遭劇烈沖刷和提高主墩樁基安全性的考慮，蘇通大橋?qū)ζ渲鞫辗秶鷥?nèi)及附近區(qū)域的河床采取了結(jié)合預(yù)防護(hù)與永久防護(hù)的防護(hù)措施。依據(jù)樁-土共同作用機(jī)理和群樁基礎(chǔ)局部范圍內(nèi)的沖淤形態(tài)，以承臺(tái)區(qū)域?yàn)橹行?，河床防護(hù)層在平面劃分上由核心區(qū)、永久防護(hù)區(qū)和護(hù)坦區(qū)三部分組成。核心區(qū)為承臺(tái)外圍約20 m的區(qū)域，局部沖刷最為嚴(yán)重；核心區(qū)外圍為永久防護(hù)區(qū)，南北側(cè)寬度約為45 m，上下游側(cè)寬度約為40 m，樁-土共同作用較為活躍；永久防護(hù)區(qū)外約45 m的范圍即為最外圍的護(hù)坦區(qū)，為永久防護(hù)區(qū)提供緩沖和沖刷保護(hù)。

在鉆孔平臺(tái)搭設(shè)之前，先通過開體駁定點(diǎn)拋投袋裝沙進(jìn)行預(yù)防護(hù)，便于級(jí)配碎石防護(hù)層的形成，并通過儀器觀測(cè)對(duì)未完善區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)拋；鋼護(hù)筒沉放至半程時(shí)，對(duì)永久防護(hù)區(qū)的上游側(cè)和護(hù)坦區(qū)拋投級(jí)配碎石，沉放完成后對(duì)核心區(qū)定點(diǎn)吊拋級(jí)配碎石和護(hù)面塊石；待整個(gè)鉆孔平臺(tái)完工后，開始對(duì)永久防護(hù)區(qū)的下游側(cè)和護(hù)坦區(qū)拋投級(jí)配碎石，并對(duì)上述兩區(qū)域所屬范圍定位拋投護(hù)面塊石[4]。河床防護(hù)層的具體分層結(jié)構(gòu)如表1所示，由底部到頂部依次為袋裝沙、級(jí)配碎石和護(hù)面塊石。經(jīng)驗(yàn)證，所采用的袋裝沙、級(jí)配碎石和護(hù)面塊石均滿足蘇通大橋橋位區(qū)河床的穩(wěn)定性要求。

表1 蘇通大橋主墩河床防護(hù)層結(jié)構(gòu)(單位：m)Tab.1 The riverbed protective layer construction of Sutong Bridge’s main pier (unit: m)

圖1 主4#墩基樁軸力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)樁位分布Fig.1 Piles distribution of the main 4# pier’s foundation piles axial force monitoring system

2 監(jiān)測(cè)樁位及監(jiān)測(cè)斷面的布置

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，主4#墩基樁軸力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共包含10根樁：承臺(tái)上游側(cè)邊樁（1#、29#、64#），中心樁（32#）及近系梁區(qū)樁（36#）；承臺(tái)下游側(cè)邊樁（77#、100#、122#、126#）及中心樁（104#）。每根樁均設(shè)置8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，高程分別是-12.0、-25.0、-30.0、-45.0、-55.0、-75.0、-95.0、及-123.0 m，為方便監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析與評(píng)價(jià)，由高到低編號(hào)依次為①～⑧。每個(gè)斷面各布置2套混凝土應(yīng)變計(jì)，第①、⑥、⑦斷面各布置2套鋼筋應(yīng)力計(jì)，第②、③、④、⑤斷面各布置4套鋼筋應(yīng)力計(jì)。與此同時(shí)，在高程-124.5 m處布置2套頂出式壓力盒。具體的樁位分布如圖1所示。

圖2 77#樁各斷面樁身軸力變化過程曲線Fig.2 Changing process curve of pile body axial force of 77# pile’s each section

圖3 77#樁各時(shí)段樁身軸力沿深度分布全量圖Fig.3 Depth distribution full dose figure of pile body axial force of 77# pile’s each period

圖4 77#樁各時(shí)段樁身軸力沿深度分布增量圖Fig.4 Depth distribution increment figure of pile body axial force of 77# pile’s each period

圖5 77#樁樁周摩阻力沿深度分布圖Fig.5 Depth distribution figure of friction resistance around pile of 77# pile

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

由于樁身混凝土在澆注之前，基樁鋼筋籠的受力情況十分復(fù)雜，且同時(shí)受到混凝土水化熱的影響較為強(qiáng)烈，因此選擇樁身混凝土澆注完成一段時(shí)間之后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為初值，并疊加基樁自重應(yīng)力。據(jù)此，本文以蘇通大橋主4#墩為研究對(duì)象，選取了蘇通大橋通車運(yùn)營過程中2013年1月2日至2013年2月10日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

主4#墩基樁軸力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共由10根監(jiān)測(cè)樁組成，本文僅選擇具有代表性的承臺(tái)下游側(cè)邊樁77#樁開展研究。

根據(jù)前述監(jiān)測(cè)斷面的布置情況，第①斷面位于封底混凝土內(nèi)，第②斷面位于河床面之上樁身自由段，第③斷面已經(jīng)穿過河床防護(hù)層，第④、⑤斷面分別位于鋼護(hù)筒的下部和底部。77#樁在所選監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)各斷面的樁身軸力變化過程曲線如圖2所示，77#樁各時(shí)段樁身軸力沿深度分布的全量圖如圖3所示，沿深度分布的增量圖（起算時(shí)間為2005年2月17日）如圖4所示，樁周摩阻力沿深度的分布如圖5所示，具體數(shù)值是由各高程斷面的軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果再通過計(jì)算得出的。

在數(shù)據(jù)處理的過程當(dāng)中，采用小波分層消噪技術(shù)，并剔除數(shù)據(jù)中的異常值[5]，最后通過數(shù)據(jù)融合得到全過程的有效數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，樁身在穿過河床防護(hù)層以后，樁身軸力及其變化的幅度都出現(xiàn)了較大幅度的衰減，值明顯小于上級(jí)監(jiān)測(cè)斷面。由此不難看出，河床防護(hù)層對(duì)于提高群樁基礎(chǔ)整體的承載性能具有顯著的效果。

4 承載性能影響的機(jī)理與評(píng)價(jià)

在對(duì)蘇通大橋主4#墩和主5#墩基樁軸力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中所涵蓋的所有樁軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行整理后發(fā)現(xiàn)，各基樁在穿過河床防護(hù)層之后，樁身軸力均發(fā)生了明顯的衰減。蘇通大橋橋位區(qū)鄰近長江入?？?，水深流急，河床底質(zhì)松軟，沖刷現(xiàn)象相對(duì)劇烈。與此同時(shí)，規(guī)模龐大的群樁基礎(chǔ)勢(shì)必會(huì)造成水流在其周邊范圍內(nèi)的加速流動(dòng)，從而在一定程度上加劇了河床的沖刷程度，危及群樁基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定性[6]。因此，蘇通大橋主墩群樁基礎(chǔ)采用了袋裝沙+級(jí)配碎石+護(hù)面塊石的河床沖刷防護(hù)措施，并采取了袋裝沙預(yù)防護(hù)的創(chuàng)新手段。在基樁鋼護(hù)筒插打之前先進(jìn)行袋裝沙的拋投，同時(shí)施工期主4#墩基樁鉆孔鉆機(jī)鉆進(jìn)至-36 m高程時(shí)，從吸出的泥漿中仍然可以觀察到土工布碎片殘留。這就意味著沙袋在鋼護(hù)筒插打的過程當(dāng)中被比較深地?cái)D入到河床底質(zhì)層中，保證了其良好的著床效果，結(jié)果表明該措施在河床沖刷防護(hù)上起到了顯著的效果。

此外，該措施還大幅度提高了群樁基礎(chǔ)的整體性和基樁的承載力，減輕了群樁效應(yīng)的不利影響。河床防護(hù)層覆蓋面廣，對(duì)地基土大范圍的整體壓蓋作用使得應(yīng)力擴(kuò)散角變大[7]。樁穿過防護(hù)層后樁身軸力驟減，由此計(jì)算得到的防護(hù)層摩阻力要遠(yuǎn)大于松散體極限摩阻力。大量的沙袋碎片在鋼護(hù)筒插打的過程中被機(jī)械擠入河床底質(zhì)層，導(dǎo)致樁周土層的擠密作用明顯增強(qiáng)，且選用的沙袋材料透水性能良好，可以加速地基土的排水固結(jié)，增強(qiáng)樁周土的承載性能，進(jìn)而提高群樁基礎(chǔ)的承載性能[8]。

5 結(jié)論

1）蘇通大橋群樁基礎(chǔ)河床防護(hù)工程運(yùn)營期大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，群樁基礎(chǔ)各基樁樁身在穿過河床防護(hù)層之后，樁身軸力及軸力的變化幅度會(huì)出現(xiàn)明顯的衰減。

2）對(duì)于易沖河床，蘇通大橋所采取的預(yù)防護(hù)與永久防護(hù)相結(jié)合的河床防護(hù)層措施對(duì)于提高深水群樁基礎(chǔ)的承載性能是非常有效的，確保了大橋的運(yùn)營安全，也為其他深水基礎(chǔ)工程的設(shè)計(jì)與施工提供了參考。

3）河床防護(hù)層可以有效地提升群樁基礎(chǔ)的整體性和承載性能的安全儲(chǔ)備，控制群樁基礎(chǔ)的沉降和不均勻沉降，并在克服群樁效應(yīng)所帶來的負(fù)面影響，改善群樁基礎(chǔ)的傳力機(jī)理等諸多方面都具有十分重要的意義。

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Monitoring analysis on the effects of bearing capacity of riverbed protective layer on pile group foundation of the bridge

DING Di，CHEN Zhijian
(School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Jiangsu Nanjing, 211100, China)

bearing capacity; riverbed protection; riverbed scouring; pile group foundation; axial force of pile body

TU473.1

A

1673-9469（2017）03-0065-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.03.014

2017-05-10

江蘇省政策引導(dǎo)類計(jì)劃項(xiàng)目(BY2015002-05)

丁迪（1991-），男，河南鄭州人，碩士，從事地質(zhì)體穩(wěn)定與安全監(jiān)測(cè)方面的研究。

Absract：Based on measured data of the Sutong Bridge’s north main pier during operation period, the paper analyzest the axial force of pile body, and then evaluates the effect of bearing capacity of the pile group foundation on the riverbed protective layer. According to the monitoring data, both the axial force and its amplitude of variation weaken sharply after piles pass through the riverbed protective layer. It shows that the riverbed protective layer used by the Sutong Bridge is of great significance in improving bearing capacity and global stability of pile group foundation, controlling settlement and improving force transfer mechanism.