樁基不均勻沉降對橋梁上部結(jié)構(gòu)影響分析

劉漳，胡捷

（浙江交工集團股份有限公司設(shè)計院分公司，浙江 杭州 310000）

1 樁基不均勻沉降原因及特性

1.1 不均勻沉降原因

引起橋梁樁基礎(chǔ)不均勻沉降的原因較多，主要包括內(nèi)因和外因兩個方面，內(nèi)因主要取決于樁基持力層地基土的性質(zhì)，即樁基礎(chǔ)所處的持力層不同，土體的孔隙比、含水率和壓縮性也存在一定的差異，在反復車輛荷載作用下持力層土體的水壓力不斷消散，有效應(yīng)力提高，孔隙體積減小，而不同性質(zhì)的土體孔隙體積被壓縮的程度不同，從而使樁基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降[1]。

樁基不均勻沉降的外因主要包括以下幾個方面：第一，地質(zhì)勘察不準確。樁基在設(shè)計之前必須有詳細的地質(zhì)勘查資料，但是目前橋梁工程設(shè)計普遍存在工期緊張的問題，導致前期地勘作業(yè)不充分，所取得的地勘成果（承載力、地下水位、樁側(cè)摩阻力等）精度不夠，無法反映真實的地層情況，導致樁基設(shè)計參數(shù)不合理；第二，承受荷載不均勻。因施工測量放樣不準確，樁基礎(chǔ)位置與設(shè)計存在一定的偏差，就會導致樁基礎(chǔ)在橋梁結(jié)構(gòu)運營期間承受的外界荷載差異較大，從而產(chǎn)生不均勻沉降；第三，樁基礎(chǔ)建設(shè)時間相差較大。如果橋梁樁基礎(chǔ)分期建設(shè)，前期建設(shè)的樁基礎(chǔ)持力層已經(jīng)充分固結(jié)沉降，后期建設(shè)的樁基礎(chǔ)還處于欠固結(jié)狀態(tài)，此時新老樁基礎(chǔ)之間會存在不均勻沉降；第四，如果橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計時坐落于滑坡體、溶洞、斷層等不良地質(zhì)，但是橋梁結(jié)構(gòu)完工后原有地基條件發(fā)生變化（如滑坡、巖溶塌陷等病害），也會導致樁基不均勻沉降[2]。

1.2 不均勻沉降特性

樁基礎(chǔ)不均勻沉降是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮的關(guān)鍵內(nèi)容之一。工程技術(shù)人員通常是根據(jù)樁基持力層土體的平均物理力學參數(shù)，利用“分層總和法”來計算樁基沉降值，這種計算方法屬于確定性的計算方法。然而，土體成分復雜，具有各向異性，加之勘探、取樣、試驗等隨機性，使得不同位置樁基持力層土體性能指標差異較大，此時用分層總和法計算樁基不均勻沉降會存在較大的誤差。

根據(jù)《公路工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》（JTG2120—2020）、《AASHTO荷載和抗力系數(shù)橋梁設(shè)計規(guī)范》等規(guī)范的要求，變異系數(shù)是評價樁基不均勻沉降的重要參數(shù)。通常情況下，公路橋梁樁基礎(chǔ)沉降的變異系數(shù)可取0.25[3]。

2 樁基沉降計算方法分析

橋梁結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)沉降主要由三部分組成，分別是樁底持力層壓縮變形、樁端刺入土體的深度及樁體壓縮[4]。

其中，樁底持力層壓縮變形會隨時間的變化而變化，即土體出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。此部分沉降是樁基沉降的主要組成部分，計算可利用Mesri蠕變模型，蠕變方程見式（1）～（2）：

式中：Eu為土體切線模量（Mpa-）；Su為土體切抗剪強度（kPa）；D為附加剪應(yīng)力水平；t1為單位時刻；λ為蠕變模型參數(shù)。

式中：D為附加剪應(yīng)力；Df為最大附加剪應(yīng)力。

樁端刺入土體的深度與樁側(cè)土體豎向變形基本保持一致，遠小于樁底持力層的壓縮變形。樁體壓縮主要是樁基礎(chǔ)在受到荷載的瞬間產(chǎn)生的，屬于彈性變形，荷載消除后變形量能恢復到原狀。

3 樁基不均勻沉降對橋梁上部結(jié)構(gòu)影響

3.1 工程概括

為準確分析樁基礎(chǔ)不均勻沉降對橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響，筆者以某公路橋梁改擴建工程依托，利用有限元軟件MARC建立計算模型，分析了新舊樁基差異沉降對橋梁上部結(jié)構(gòu)受力的影響。

該高速公路橋梁全長260m、總寬24m、雙向四車道、橋軸線與河道交角為75°，蓋梁寬12m，橋跨布置為5m×50m。橋梁的橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計為單排雙柱式，樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，其中樁直徑2.2m，樁長58m，具體尺寸如圖1所示：

圖1 橋梁樁基尺寸（單位：cm）

隨著當?shù)亟煌康闹鹉暝鲩L，原有的橋梁已經(jīng)無法滿足交通需求，需要對橋梁進行加寬處理。目前改橋梁的加寬方案為雙側(cè)加寬，上部結(jié)構(gòu)通過剛性連接來提高橋梁的整體穩(wěn)定性，下部結(jié)構(gòu)不連接。

3.2 計算模型建立

3.2.1 模型假設(shè)條件

在保證橋梁樁基沉降計算精度的前提下，可通過對計算模型的簡化來提高計算效率。根據(jù)相關(guān)學者的研究成果可知，鉆孔灌注樁沉降計算時可進行下列假設(shè)條件[5]：第一，樁基礎(chǔ)和周圍土體都可視作彈塑性體，受力和變形較復雜；第二，MARC軟件模擬鉆孔灌注樁的施工可不設(shè)置鋼筋籠；第三，樁基礎(chǔ)的在挖孔過程中不考慮時間效應(yīng)；第四，忽略樁基礎(chǔ)施工期間的機械設(shè)備、人員、臨時荷載等因素的影響。

3.2.2 模型建立

為提高計算的精確度，MARC軟件建立計算模型時均采用橋梁實際設(shè)計尺寸，樁基、樁周土體及網(wǎng)格劃分均采用六面體的實體單元，網(wǎng)格尺寸為：橋梁上部結(jié)構(gòu)取0.5m，其他部位取1m。

3.2.3 邊界條件

為方便分析橋梁上部結(jié)構(gòu)的受力和變形，統(tǒng)一規(guī)定X方向為道路橫斷面方向，Y方向為路線方向，Z方向為樁的壓縮變形方向。模型計算過程中對舊橋樁基礎(chǔ)的三個方向均進行位移約束（變形已經(jīng)穩(wěn)定），新樁X/Y方向進行約束，Z方向為自由邊界，可發(fā)生沉降變形，以模擬新舊樁基的沉降差。

3.2.4 施工過程模擬

公路橋梁鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工包括制備泥漿→鉆挖→清孔→下放鋼筋籠→混凝土澆筑→質(zhì)量檢驗等環(huán)節(jié)，MARC軟件模擬鉆孔灌注樁的施工是將其簡化為若干個分析步和工況。具體如表1所示：

表1 樁基礎(chǔ)施工模擬

3.3 計算結(jié)果分析

利用MARC軟件對該橋梁新樁樁頂施加1mm、3mm、5mm、7mm位移（該位移可視作樁基間的不均勻沉降），計算出的橋梁上部結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力如圖2所示：

圖2 橋梁上部結(jié)構(gòu)受力云圖

計算結(jié)果表明：新舊樁基礎(chǔ)之間的不均勻沉降會導致橋梁上部結(jié)構(gòu)所承受的正應(yīng)力和剪應(yīng)力存在明顯的差異，且正應(yīng)力和剪應(yīng)力的最大值都出現(xiàn)在新樁基礎(chǔ)的頂部，最小值出現(xiàn)在跨中截面位置。橋梁樁基不均勻沉降為1mm、3mm、5mm、7mm時對應(yīng)的正應(yīng)力最大值是0.36MPa、1.09MPa、1.84MPa和2.56MPa，剪應(yīng)力最大值是0.47MPa、1.63MPa、2.68MPa和3.72MPa。

4 結(jié)論

本文詳細探討了橋梁樁基不均勻沉降產(chǎn)生原因、計算方法及其對橋梁上部結(jié)構(gòu)受力的影響，主要得到以下幾方面結(jié)論：（1）梁樁基礎(chǔ)存在不均勻沉降會在上部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，主要與土體性質(zhì)、地質(zhì)勘察、測量放樣、建設(shè)時間等因素密切相關(guān)；（2）橋梁結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)沉降主要由樁底持力層壓縮變形、樁端刺入土體的深度及樁體壓縮等組成，計算可采用Mesri蠕變模型；（3）基于MARC軟件的計算結(jié)果表明，樁基礎(chǔ)之間的不均勻沉降會導致橋梁上部結(jié)構(gòu)所承受的正應(yīng)力和剪應(yīng)力存在明顯的差異，最大值都出現(xiàn)在新樁基礎(chǔ)的頂部，最小值出現(xiàn)在跨中截面位置。