不平衡堆載對鄰近橋梁樁基的影響分析

段書龍, 孟凡光

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司;公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088；2.單縣城市園林綠化服務(wù)中心， 山東 單縣 274300)

0 引 言

在建和已建成橋梁工程中,已經(jīng)施工完成的樁基礎(chǔ)經(jīng)常遇到不平衡堆載(單側(cè)堆載)問題。這種荷載一般來自橋梁鄰近道路或下穿道路施工,長期堆放較重物品,均會引起樁基周邊土層的沉降,導(dǎo)致樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力,而且土層產(chǎn)生的土體側(cè)向土壓力會對樁基產(chǎn)生水平推力,引起的土體側(cè)向位移,樁基在軟土中效應(yīng)更加明顯。在建或者運營中的橋梁樁基,在鄰近出現(xiàn)不平衡堆載時,應(yīng)結(jié)合堆載情況對橋梁樁基進(jìn)行安全評估,避免對橋梁結(jié)構(gòu)造成結(jié)構(gòu)性損傷。目前國內(nèi)因此原因引起的工程事故較多,如:上海某工業(yè)廠房因不平衡堆載造成廠房坍塌事故[1]、連云港某高速互通立交橋下穿道路路基堆載施工,造成上跨橋橋墩偏移[2]等,目前城市道路和國家路網(wǎng)建設(shè)日益增多,道路下穿和互通立交等道路修建會對現(xiàn)有橋梁造成不利影響。因此總結(jié)一套合適的計算方法和計算公式,通過合理的保護(hù)方案和應(yīng)對措施,對確保工程結(jié)構(gòu)安全和推進(jìn)該類工程建設(shè)有較大意義。

在國家水利工程引江濟(jì)淮項目中,涉及上跨橋梁較多,某上跨橋梁上部結(jié)構(gòu)采用(72+120+72)m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,下部主墩采用空心薄壁墩,下接承臺和群樁基礎(chǔ)，如圖1所示。橋梁邊跨下規(guī)劃河道堤頂?shù)缆?。因雨季影?本應(yīng)先施工的大堤和堤頂?shù)缆窚?造成橋梁施工在前。

圖1 橋梁布置及筑堤分布圖

施工大堤堤角位于主墩承臺邊緣,大堤高出承臺頂7.785 m,堤頂?shù)缆穼?.0 m,邊坡按照1∶3放坡,橋墩處頂層土層為厚度16.3 m粉質(zhì)黏土,長時間處于河水浸泡中,土質(zhì)軟化易變形,加速了樁基位移的發(fā)展。因此該處大堤填筑和堤頂?shù)缆肥┕?對鄰近橋梁樁基產(chǎn)生較大影響,如圖2所示，需要進(jìn)行安全評估。

圖2 不平衡堆載對相鄰樁基影響

1 計算方法

在不平衡堆載作用下,樁發(fā)生變形,擠壓樁后土體,并對樁施加被動抗力作用,樁的受力如圖3a所示,假定背荷側(cè)土體為Winkler彈性地基[3],土體等效為連續(xù)分布的彈簧,如圖3b所示。

圖3 堆載鄰近樁基受力示意圖和彈性地基梁模型

在地面沒有經(jīng)過加固處理的情況下,堆載屬于柔性堆載,對地基施加的荷載約等于堆載自重。本項目不平衡堆載形狀為梯形,如圖4所示。地基內(nèi)任一點的內(nèi)力可用基于彈性理論的Boussinesq解的積分形式[4]求得,水平向附加應(yīng)力見下式。因上述梯形荷載引起土中附加應(yīng)力時,未考慮大橋樁基的存在,其計算的側(cè)向推力與實際存在差異,根據(jù)理論及有關(guān)研究成果可得[5],此時橋梁樁基受到的側(cè)壓力可近似為Boussinesq應(yīng)力解的兩倍。

圖4 梯形荷載作用示意圖

以基底寬度中心為原點,設(shè)堆載寬度為2b,堆載坡面橫向?qū)挾葹閍,則可求得地基任一點的側(cè)壓力:

式中:p(z)為堆載引起的側(cè)壓力;σx為水平應(yīng)力;F為堆載水平力;F=γH,γ為材料重度,H為堆載高度。

2 結(jié)構(gòu)計算和分析

模型中地基反力系數(shù)的比例系數(shù)m根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG 3363-2019)規(guī)定和相關(guān)工程經(jīng)驗選取,使樁與土之間的相互作用等效為連續(xù)分布的彈簧,從而建立有限元模型。在筑堤道路施工前,橋梁樁基已經(jīng)施工完成,是否需要施工承臺采用有限元進(jìn)行模擬計算,對比兩種工況下的樁基受力狀態(tài)。

從圖5、圖6可以看出,在承臺施工之前,僅鄰近填筑路堤的一排樁基受水平力作用,發(fā)生側(cè)向位移,最大位移位于樁基頂部為4.62 m;施工承臺后,發(fā)揮群樁效應(yīng),所有樁基共同受力,鄰近填筑路堤的一排樁基受水平力作用最大,最大位移位于樁頂下約4 m處,最大位移0.94 m。

圖5 無承臺樁基位移(單位：mm)

圖6 有承臺樁基位移(單位：mm)

通過計算兩種工況下,內(nèi)力和變形對比見表1。

表1 樁基受力對比表

結(jié)合樁基受力狀態(tài)和變形情況,建議路堤施工完成后澆筑承臺混凝土,并在施工過程中進(jìn)行變形監(jiān)測。通過后續(xù)施工及監(jiān)測,現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)基本與計算吻合。

3 結(jié) 論

本文結(jié)合工程實際對橋梁附近不平衡堆載作用下,樁基受力進(jìn)行分析計算,根據(jù)路堤堆筑特點和土層特性采用彈性地基梁法對橋梁樁基受力影響模擬分析是可行的。在工程地質(zhì)較差,尤其存在軟土層的情況下,應(yīng)避免在橋梁附件實施不平衡堆載。如避免不了,建議對結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評估,根據(jù)需要可采取防護(hù)樁和改變施工順序等措施減小對橋梁結(jié)構(gòu)的損傷。