樁基不均勻沉降對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)影響及監(jiān)測分析

摘要 橋梁樁基礎(chǔ)不均勻沉降是引發(fā)橋梁病害的主要因素之一，對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的整體安全和使用性能均具有顯著影響。引起樁基不均勻沉降的因素較多，形成機(jī)理較為復(fù)雜，在橋梁設(shè)計(jì)與建造階段難以進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算及有效控制。文章深入研究了樁基沉降的原理，探討了引發(fā)不均勻沉降的原因及其產(chǎn)生的不利影響，在此基礎(chǔ)上提出了不均勻沉降的監(jiān)測與對(duì)應(yīng)病害的預(yù)防處治措施，為橋梁工程師提供相應(yīng)的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞 樁基礎(chǔ)；不均勻沉降；附加應(yīng)力；變形監(jiān)測

中圖分類號(hào) U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）20-0149-03

0 引言

樁基礎(chǔ)是將橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞到地基的構(gòu)筑物。由于具有較高的承載力、良好的穩(wěn)定性及適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁工程中應(yīng)用極為廣泛。作為一項(xiàng)地下工程，其成樁質(zhì)量受成孔設(shè)備、施工條件、地層特性、地下水影響，以及作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)水平等影響，往往難以準(zhǔn)確控制。樁基不均勻沉降作為主要病害之一，輕則導(dǎo)致橋面、護(hù)欄產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重時(shí)主體構(gòu)件拉應(yīng)力超限進(jìn)而危及結(jié)構(gòu)安全。由于不均勻沉降的發(fā)生非瞬時(shí)性，是一個(gè)長期發(fā)展的過程，且沉降量往往不易進(jìn)行直觀判別，需依靠相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備才能獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。為有效減小橋梁上部結(jié)構(gòu)病害，需在勘察設(shè)計(jì)、施工建造及通車運(yùn)營階段，采取有效措施減少并控制不均勻沉降的發(fā)生，從而提高橋梁的使用壽命。

1 樁基沉降原理分析

樁基礎(chǔ)沉降原理涉及樁與周圍土體之間的相互作用，以及它們?cè)诤奢d作用下的變形行為，其沉降量主要分為樁底持力層壓縮變形、樁端刺入土體深度及樁身壓縮三部分[1]。在最不利荷載工況下，當(dāng)樁頂荷載超過樁側(cè)摩阻力時(shí)，樁端持力層將承擔(dān)較大的作用力。隨著持力層土體內(nèi)孔隙水壓力的不斷消散，逐步轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，使土層孔隙減小引起體積收縮，從而發(fā)生樁端土體的壓縮變形。當(dāng)樁基為端承樁或樁端平面內(nèi)樁的中心距大于樁徑（或邊長）的6倍時(shí)，樁基的總沉降量可取單樁的沉降量；在其他情況下，需作為整體式墩臺(tái)基礎(chǔ)計(jì)算群樁沉降量。整體式群樁基礎(chǔ)沉降量可采用分層總和法進(jìn)行計(jì)算；單樁、單排樁和樁中心距大于6倍樁徑的疏樁基礎(chǔ)沉降，均按照單向壓縮分層總和法進(jìn)行計(jì)算，上述兩種情況下沉降總量已考慮樁身壓縮影響。分層總和法計(jì)算模型如圖1所示。圖中l(wèi)為樁長（m）；Zi、Zi-1、Zn分別為第i層、i-1層和最終計(jì)算深度（m）；b為等效基礎(chǔ)寬度的一半（m）；ai、ai-1、an為第i層、i-1層和最終層評(píng)價(jià)的附加應(yīng)力系數(shù)。

2 引起不均勻沉降的原因分析

2.1 勘察資料準(zhǔn)確性

勘察資料準(zhǔn)確性對(duì)于確保樁基質(zhì)量起決定性作用，如果揭露土層信息有誤、未勘探出不良地質(zhì)條件，則樁基設(shè)計(jì)方案不具備可靠性。在基礎(chǔ)設(shè)施蓬勃發(fā)展的背景下，項(xiàng)目工期往往較為緊張，從而導(dǎo)致勘探工作不充分、工程地質(zhì)信息不完整、勘察精度不足等隱患存在，無法真實(shí)揭露場地的地質(zhì)信息。加之巖土質(zhì)自身成分復(fù)雜，具有各向異性的特點(diǎn)，而部分物理和力學(xué)指標(biāo)是基于實(shí)驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)的條件下獲得，從而導(dǎo)致勘察資料的準(zhǔn)確性存在偏差。

2.2 設(shè)計(jì)方案合理性

路線方案、橋位布置的合理性，影響基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性。橋位選擇時(shí)若未避開滑坡、坍塌、溶洞等不良地質(zhì)段，將導(dǎo)致樁基沉陷，引發(fā)嚴(yán)重橋梁事故。樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)需結(jié)合上部結(jié)構(gòu)形式、場地地質(zhì)條件、樁身承載力和穩(wěn)定性需求等進(jìn)行合理布置，以減少樁身不均勻沉降量。在同一橋梁基礎(chǔ)上若同時(shí)采用摩擦型樁和端承型樁，或?qū)⒅睆脚c材料不同和樁端深度相差過大的樁設(shè)置在同一墩臺(tái)下，則會(huì)擴(kuò)大樁基的沉降差。

2.3 施工質(zhì)量可靠性

樁基成孔工藝與地質(zhì)條件不匹配、孔內(nèi)泥漿指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，容易在護(hù)壁內(nèi)形成泥皮，減弱樁側(cè)的摩阻力效應(yīng)，降低樁基承載力，在運(yùn)營階段易發(fā)生沉降。灌注樁基混凝土前若未清孔徹底，將導(dǎo)致孔底沉渣層較厚，在荷載作用下樁端將刺入泥層引起樁基下沉。處于回填區(qū)域的樁基，未待填土固結(jié)完畢后再實(shí)施樁基工程，在負(fù)摩阻力的作用下樁基將發(fā)生不均勻沉降[2]。改擴(kuò)建項(xiàng)目由于相鄰墩臺(tái)建造時(shí)間不同，在不均勻沉降的影響下易造成橋面開裂、錯(cuò)位等。

3 對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)影響

3.1 連接構(gòu)件破壞

當(dāng)相鄰墩臺(tái)間不均勻沉降差值使橋面形成大于2‰的附加縱坡（折角）時(shí)，橋上附屬設(shè)施如伸縮縫裝置、連續(xù)橋面、支座、護(hù)欄等構(gòu)件無法適應(yīng)其變形時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生裂縫及破損。伸縮縫破壞后導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)無法正常收縮變形，同時(shí)引起梁端漏水、行車噪聲增大及橋頭跳車現(xiàn)象。墩臺(tái)兩側(cè)梁體因沉降產(chǎn)生折角，導(dǎo)致橋面鋪裝層開裂，行車舒適度降低。當(dāng)同一墩臺(tái)各樁基沉降不均時(shí)，產(chǎn)生橫向變形，蓋梁及系梁會(huì)因拉應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂縫，變形嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致支座脫空，引起結(jié)構(gòu)體系的變化。

3.2 結(jié)構(gòu)受力變化

樁基礎(chǔ)的不均勻沉降由下部結(jié)構(gòu)、支座傳遞到上部結(jié)構(gòu)后，將引發(fā)梁體偏位和撓度超限，使主梁內(nèi)力、應(yīng)力和變形發(fā)生改變。梁體撓度超限后，當(dāng)變形量超過混凝土彈性應(yīng)變量時(shí)，混凝土即產(chǎn)生裂縫。裂縫的產(chǎn)生會(huì)形成侵蝕通道，導(dǎo)致鋼筋銹蝕，降低結(jié)構(gòu)的承載能力。橫向大變形引起主梁扭轉(zhuǎn)、翹曲，產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力流，在剪應(yīng)力較大處形成斜截面抗剪破壞[3]。若發(fā)生支座脫空，則引發(fā)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分布，跨中彎矩和支反力急劇增大，原有配筋模式和配筋量將無法滿足承載力要求，對(duì)結(jié)構(gòu)而言則是嚴(yán)重的安全隱患。

3.3 實(shí)例分析

（1）工程概況。某城市立交匝道橋，單向二車道，設(shè)計(jì)荷載城-A級(jí)。上部結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，單箱雙室，跨徑組合為4×30 m；下部結(jié)構(gòu)為樁柱式橋墩，肋板式橋臺(tái)，基礎(chǔ)形式均為樁基礎(chǔ)，樁徑1.5 m，樁長為25～35 m，持力層為強(qiáng)風(fēng)化白云巖。除2號(hào)墩為固結(jié)支座外，其余均為活動(dòng)支座，其結(jié)構(gòu)模型簡化圖如圖2所示：

（2）不均勻沉降工況模擬。以基礎(chǔ)分別沉降5 mm、10 mm、15 mm、20 mm為工況進(jìn)行最不利組合（如表1所示）模擬，研究其對(duì)第二跨跨中節(jié)點(diǎn)位置的內(nèi)力影響效應(yīng)，并利用Midas Civil有限元軟件進(jìn)行建模分析。

（3）內(nèi)力影響效應(yīng)分析。在最不利沉降組合下，提取第二跨跨中處彎矩、剪力、應(yīng)力和撓度的最大效應(yīng)值，其計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖可知，隨著不均勻沉降值等比增大，相應(yīng)內(nèi)力、應(yīng)力及變形效應(yīng)值隨之增大，并呈線性分布，具有一定的規(guī)律性。

4 樁基沉降監(jiān)測方法

樁基礎(chǔ)沉降監(jiān)測的目的是及時(shí)發(fā)現(xiàn)和評(píng)估基礎(chǔ)沉降情況，采取相應(yīng)措施控制沉降速度，確保橋梁整體穩(wěn)定性和安全性。

4.1 監(jiān)測方法與技術(shù)

橋梁基礎(chǔ)變位往往難以通過肉眼識(shí)別，因此需要采用相應(yīng)的技術(shù)手段獲取沉降值。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法主要有大地測量法和物理學(xué)傳感器方法等[4]。不同監(jiān)測方法的優(yōu)缺點(diǎn)詳見表2所示：

4.2 監(jiān)測指標(biāo)與測點(diǎn)布置

樁基沉降監(jiān)測有豎向沉降、水平偏位、轉(zhuǎn)角及傾斜度等。通過豎向沉降可判斷樁身是否斷裂或地基是否發(fā)生較大的壓縮變形；水平偏位監(jiān)測可了解樁基水平向的受力情況及地層的整體穩(wěn)定性，尤其是位于河岸、山坡處的樁基。水平位移監(jiān)測采用監(jiān)測墩身底相對(duì)距離的方法，通過在墩底布設(shè)激光位移計(jì)測量樁頂水平變形。對(duì)于基礎(chǔ)沉降，可在承臺(tái)頂或系梁頂設(shè)置測點(diǎn)，采用精密水準(zhǔn)儀法進(jìn)行測量。樁身混凝土的壓縮變形和樁底持力層的壓縮層變形，可分別采用沉降計(jì)和應(yīng)變計(jì)進(jìn)行監(jiān)測。智能弦式數(shù)碼應(yīng)變計(jì)沿樁身均勻分布，每隔2 m布置一處；而沉降計(jì)則布置于樁底以下土層，影響深度按樁長的1/2進(jìn)行控制。

4.3 超限閾值和報(bào)警

超限閾值分為三級(jí)，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過各級(jí)閾值時(shí)，應(yīng)同步報(bào)警。當(dāng)基礎(chǔ)總沉降超過20L0.5 mm時(shí)，或相鄰墩臺(tái)總沉降差值超過20L0.5 mm時(shí)（L為相鄰墩臺(tái)最小跨徑，單位m），應(yīng)啟動(dòng)超限報(bào)警機(jī)制。

5 預(yù)防及處治措施

沉降的發(fā)生具有不可避免性，但可采取有效措施減小沉降量及沉降發(fā)展的速率，可通過以下方式進(jìn)行預(yù)防和處治。

（1）加強(qiáng)選址與勘察的準(zhǔn)確性。在工程初期，應(yīng)對(duì)地基承載能力和土壤性質(zhì)進(jìn)行詳盡的調(diào)查和研究，避免選擇承載能力不均勻或土壤性質(zhì)不一致的持力層?？辈靾?bào)告所提供的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)準(zhǔn)確無誤，確保設(shè)計(jì)的可靠性。

（2）充分優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。應(yīng)嚴(yán)格遵循分層總和法進(jìn)行沉降估算，并將其作為上部結(jié)構(gòu)計(jì)算的依據(jù)。橋梁布置應(yīng)保證相鄰墩臺(tái)反力差異適當(dāng)，同一墩臺(tái)橋墩中心兩側(cè)的樁基礎(chǔ)應(yīng)對(duì)稱布置且受力均勻。同時(shí)，根據(jù)地質(zhì)條件選擇適合的樁基類型，優(yōu)化墩臺(tái)身設(shè)計(jì)，改進(jìn)樁基布局，以適應(yīng)不同地質(zhì)條件和減少沉降差異。

（3）加強(qiáng)施工管理及質(zhì)量控制

樁基施工前應(yīng)結(jié)合環(huán)境條件、土質(zhì)情況等制定詳細(xì)的施工方案，并堅(jiān)持先深后淺、先大后小、先長后短的順序，減小相鄰樁基的影響。在施工過程中加強(qiáng)對(duì)地基的監(jiān)測和控制，及時(shí)了解地基沉降的情況，以減少不均勻沉降發(fā)生的可能性。

（4）樁基加固技術(shù)

對(duì)于已發(fā)生不均勻沉降的樁基，需進(jìn)行沉降加固處理，以提高樁基的承載能力，減少或消除不均勻沉降，確保結(jié)構(gòu)安全。常采用的處理方式有注漿法、置換法、扁擔(dān)樁法、樁基補(bǔ)強(qiáng)法等，對(duì)樁身、樁側(cè)土體及樁端持力層進(jìn)行全面加固處理[5]。如基礎(chǔ)無加固條件，可對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，改善樁基受力條件。對(duì)于處治完畢的樁基，應(yīng)進(jìn)行承載力和樁身質(zhì)量復(fù)測，確保加固的效果符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

研究樁基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)準(zhǔn)確分析橋梁上部結(jié)構(gòu)的受力性能具有顯著意義，可減小施工階段和運(yùn)營期間發(fā)生質(zhì)量安全事故的概率。樁基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇壓縮性小、承載力高、周邊地層穩(wěn)定且無不良地質(zhì)現(xiàn)象的區(qū)域作為持力層，加強(qiáng)施工質(zhì)量控制，并采取適宜的監(jiān)測手段實(shí)時(shí)監(jiān)控沉降發(fā)生的變化率，建立超限閾值警報(bào)機(jī)制，全方位保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

參考文獻(xiàn)

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[4]覃梟雄.橋梁樁基礎(chǔ)變形監(jiān)測與分析[J].西部交通科技，2022（10）：161-162+189.

[5]劉華峰.既有橋梁樁基礎(chǔ)樁底注漿加固分析[J].山東交通科技，2022（4）：96-97+109.

收稿日期：2024-08-18

作者簡介：鄭肇鑫（1990—），男，碩士研究生，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。