橋側(cè)堆載對橋梁樁基的影響分析及處理方法

張曉曦

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司 南京 210017)

公路橋梁基礎(chǔ)以樁-承臺基礎(chǔ)為主，這種深基礎(chǔ)形式在控制橋梁的工后沉降方面效果顯著。但近年來，隨著我國城市化的快速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)的規(guī)模日益增大，大量的工程建設(shè)勢必會產(chǎn)生多余的堆土及棄方。這些棄方若堆在橋梁墩臺周圍，會對附近的橋梁墩臺與基礎(chǔ)產(chǎn)生兩方面的影響：一是樁周堆土?xí)跇渡懋a(chǎn)生負(fù)摩擦力，增加樁的豎向荷載并產(chǎn)生不均勻的沉降；二是樁臨近堆載的一側(cè)會受到額外的水平推力，引起樁的撓曲變形，從而造成上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏移甚至不能正常使用?，F(xiàn)行的公路橋梁設(shè)計(jì)時，很少對公路沿線棄方堆于橋梁周圍而引起的不利因素進(jìn)行考慮，對施工及運(yùn)營中堆載引起的工程病害亦未重視，易引發(fā)工程事故。

本文以某斜拉橋?yàn)槔?，對已存在的橋梁附近堆載進(jìn)行監(jiān)測分析，提出處理方案并分析實(shí)際處理效果。

1 橋梁概況

某斜拉橋主橋?yàn)楠?dú)塔單索面雙跨預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，塔、墩、梁剛接，跨徑組合105 m(主跨)+70 m(錨跨)，橋面總寬36.5 m；引橋?yàn)楝F(xiàn)澆連續(xù)箱梁和簡支梁，跨徑分別為30，40 m；橋梁總體布跨為2×(4×30 m)+40 m+(70 m+105 m)+3×30 m；主墩采用薄壁箱-柱組合式橋墩，錨墩、邊墩及引橋均為樁柱式橋墩；橋梁基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)。

該橋梁正常運(yùn)營已超過10年，但根據(jù)近期橋梁定期檢測發(fā)現(xiàn)：橋梁附近存在大面積違規(guī)棄土，棄土場坡腳距離橋梁最小距離約13 m，棄土場長168 m、寬150 m、高13 m，橋側(cè)堆土高度已基本與橋面齊平。過高的堆土?xí)蛄簶痘a(chǎn)生附加側(cè)向應(yīng)力，引起樁基的撓曲變形，給橋梁造成重大安全隱患。

2 觀測點(diǎn)的布置

為評估堆土對橋梁的實(shí)際影響，需分析地基的變形。針對實(shí)際情況，擬埋設(shè)部分測斜管，以便長周期觀察地基的側(cè)向變形。

根據(jù)工程地質(zhì)情況及現(xiàn)場管線布置情況,布設(shè)了4根測斜管,具體位置見圖1。

圖1 檢測管的布設(shè)(單位：m)

測斜管在埋入后的第一個月測量1次。受篇幅所限，本文僅給出其中某個測斜管的形變數(shù)據(jù)，見圖2。

圖2 測斜管變位

由圖2可見，測斜管在埋入1個月后，樁基頂部附近土的側(cè)向位移已經(jīng)達(dá)到5 mm。考慮到土體并非完全的彈性體，堆載對橋梁的影響有一定的延時性，因而橋墩樁基存在重大安全隱患，需進(jìn)行整治。

3 橋樁水平位移安全標(biāo)準(zhǔn)

目前國內(nèi)對橋樁的水平位移控制尚無定論，因此本文參考了美國相關(guān)研究的標(biāo)準(zhǔn)。美國交通研究委員會將“樁基不可承受的變形”即變形控制標(biāo)準(zhǔn)定義如下：所謂不可承受的變形是指該變形將導(dǎo)致上部建筑結(jié)構(gòu)破壞，因而需要付出高昂的維護(hù)或者修復(fù)費(fèi)用，甚至重新修建更昂貴的結(jié)構(gòu)。美國聯(lián)邦高速公路管理局(FHWA，1985)對樁基允許變形進(jìn)行了研究，并給出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，即僅有水平位移的情況下樁頂水平位移超過50 mm 則進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)段；樁端在水平位移和豎向位移共同作用情況下，樁頂水平位移超過25 mm則進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，需要進(jìn)行整治。

由于樁基不僅受到堆載的水平附加應(yīng)力的影響，橋梁上部結(jié)構(gòu)的自重也會使樁端產(chǎn)生豎向位移，因此將樁的水平位移安全限值定為25 mm。

4 計(jì)算過程和結(jié)果

首先，依據(jù)圣維南原理，作用于彈性體上一小塊面積(或體積)的荷載所引起彈性體中的應(yīng)力，在離荷載作用區(qū)稍遠(yuǎn)的地方，基本只與荷載的合力和合力矩相關(guān)；而荷載的具體分布只影響荷載作用區(qū)附近的應(yīng)力分布[1]。因而可以將實(shí)際雜亂無章的堆土按照總重度和力矩不變的原則，簡化為均布荷載，然后按式(1)計(jì)算附加應(yīng)力。

(1)

式中[2]：q為均布荷載數(shù)值；α為z深度下某點(diǎn)與均布荷載中點(diǎn)的連線與豎直方向的夾角；β為z深度下某點(diǎn)與均布荷載兩端形成的夾角。

計(jì)算出的8 m堆載下，樁側(cè)附加荷載分布見圖3。

圖3 應(yīng)力隨深度的分布

對于樁在橫軸向荷載作用下的內(nèi)力與位移的計(jì)算，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多方法。目前較為普遍的是采用文克爾假定，該方法稱為彈性地基梁法。

以文克爾假定為基礎(chǔ)的彈性地基梁法從土力學(xué)觀點(diǎn)看是不夠嚴(yán)密的，但其基本概念明確，方法簡單，結(jié)構(gòu)一般偏安全，因此，在國內(nèi)外工程界得到廣泛應(yīng)用。

彈性地基梁概念中土抗力σzx與橫向位移關(guān)系如式(2)

σzx=Cxz

(2)

式中：σzx為橫向土抗力，kN/m2;C為地基系數(shù)，kN/m3;xz為深度z處樁的橫向位移，m。

地基系數(shù)C值是通過對試樁在不同類別土質(zhì)及不同深度進(jìn)行實(shí)測xz及σzx后反算得到。我國公路、鐵路在樁基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中普遍采用“m”法[3]，則假定地基系數(shù)隨深度成正比分布，如式(3)

C=mz

(3)

式中：m為地基土比例系數(shù),kN/m4。

利用材料力學(xué)，可得到梁的撓曲微分方程為

(4)

式中：E，I為分別為樁的彈性模量及界面慣性矩；z為樁的長度，m；xz為樁在長度z處的橫向位移，m；b1為樁的計(jì)算寬度，m。

利用式(4)，結(jié)合樁頂及樁底的邊界條件，則可求解出樁的水平位移x及轉(zhuǎn)角φ?？紤]到高階微分方程求解的復(fù)雜性，這里不再贅述。

在如今的工程設(shè)計(jì)中，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，受連續(xù)荷載的樁的位移計(jì)算成為了可能?；舅悸肥菍斗殖扇舾尚《?，每一段上分布的荷載可等效施加集中荷載，以此求出每一段樁的位移，然后疊加得到樁的總位移。

理正巖土軟件包含彈性地基梁的計(jì)算模塊?？梢詫⑹芨郊铀酵翂毫Ξa(chǎn)生側(cè)向位移的樁，看成是豎直放置的彈性地基梁，因而可以利用文克爾彈性地基梁的思路和理論，采用理正巖土軟件求解。

用彈性地基梁法計(jì)算時，土的水平基床系數(shù)k，按式(5)、(6)計(jì)算。

(5)

(6)

式中：E為土的彈性模量，Pa；b為梁的寬度，此處取樁的計(jì)算寬度，m；υ為土的泊松比；Es為土層的側(cè)限壓縮模量，Pa；IC為基礎(chǔ)腳影響系數(shù)。

依照《基礎(chǔ)工程》[4]中表3-2可以得到IC=0.64，υ、Es可以利用相應(yīng)的地勘報(bào)告得到。計(jì)算得到的土層參數(shù)見表1。

表1 各土層參數(shù)

荷載的加載:將每層土上分布的側(cè)向荷載簡化為梯形分布的荷載。加載效果見圖4。

圖4 荷載沿樁身的分布(單位：尺寸，m；地基系數(shù)，kN/m3)

樁身側(cè)向位移計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 堆載引起的樁身側(cè)向位移(單位：mm)

從圖5可見，在堆載的作用下，樁頂?shù)奈灰茖⑦_(dá)到35.7 mm。這已經(jīng)超出了25 mm的安全限值。這里注意到，由于樁頂受到承臺的約束，且依據(jù)圖3、圖4，堆載對樁的應(yīng)力分布規(guī)律為先增加后減小，因而樁的最大位移并非出現(xiàn)在樁頂，而是在距樁頂1/4附近。這也說明計(jì)算結(jié)果符合樁的實(shí)際受力及約束情況。

依據(jù)前述土應(yīng)力的計(jì)算公式可知，土應(yīng)力的大小與均布荷載的數(shù)值有直接關(guān)系，因此，可試算不同高度下樁頂?shù)奈灰?，并?jù)此制定處理措施。

將堆載高度減少至6，4 m后，相應(yīng)的應(yīng)力分布見圖6、圖7。

圖6 6 m堆載時應(yīng)力分布

圖7 4 m堆載時應(yīng)力分布

利用前述方法，計(jì)算出相應(yīng)的樁頂位移見圖8、圖9。

圖8 6 m堆載時側(cè)位移計(jì)算結(jié)果(單位：mm)

圖9 4 m堆載時側(cè)位移計(jì)算結(jié)果(單位：mm)

由圖8、圖9可以看到，減載后樁頂位移降低明顯，堆載高度為6，4 m時的樁頂側(cè)位移見表2。

表2 減載后樁頂位移

5 處理措施與結(jié)果

依據(jù)表2結(jié)果，結(jié)合上述安全標(biāo)準(zhǔn)，初步提出2個方案：①降低堆載高度；②以橋梁為對稱軸，在對稱位置堆載同樣高度的土堆。考慮到該橋梁所在地為密集工業(yè)地區(qū)，土地價格昂貴，且堆載會破壞環(huán)境的美觀。因此，擬定將土堆高度削減至4 m，以保證橋梁安全。

本次計(jì)算堆載作用下的最終位移為理論值，由于堆載時間較短且斜拉橋一直處于監(jiān)測狀態(tài)，位移暫未超過安全極限，因此采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的減載方式；若超過，需結(jié)合橋梁配筋數(shù)據(jù)等，進(jìn)一步驗(yàn)證橋梁在此變位下的安全性，這里不再贅述。

6 結(jié)論

1) 橋梁附近的堆載，會產(chǎn)生附加的水平應(yīng)力，進(jìn)而引起橋梁樁基的撓曲及水平變位。

2) 以彈性地基梁法為理論基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)值分析方法，可以計(jì)算出樁基的水平位移，該位移與實(shí)際觀測結(jié)果相吻合。

3) 采用減載措施，可有效消除堆載造成的危害且較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。在其他工程中，可結(jié)合實(shí)際需要及經(jīng)濟(jì)技術(shù)能力，對橋梁采取合理的加固等措施。