淺析地面沉陷區樁基礎受力計算

黃性燏，張 勇，袁 磊

(1.廣東江肇高速公路管理中心，廣東 江門 529075;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

某高速公路橋梁下部結構樁基礎施工時出現了較大范圍的地面沉陷，影響范圍沿線路方向長約500 m，寬約60 m，深約8～14 m，總共存在5處較大地面沉陷點，其中6#橋墩附近的地面沉陷最大最嚴重，直徑約50 m，橋位附近的魚塘和養豬場也有不同程度的影響。從地面塌陷后的地貌來看，各塌陷區均呈漏斗狀，塌陷區只是塌陷深度及塌陷寬度有所不同，部分塌陷區相鄰較近，塌陷后連成一片形成不規則的塌陷區域。

由于地面塌陷時部分樁基礎、承臺及橋墩已經施工完畢，塌陷后經施工單位測量，1#～15#橋墩共50根φ160 cm樁基出現了偏位，其中偏位最大的樁基為左幅橋5#橋墩外側樁基，其縱橋向偏位為65 cm，橫橋向偏位為10 cm。出現偏位的樁基受力狀態如何以及是否可以繼續利用是擺在設計單位面前的一道難題，本文針對該橋塌陷后的現狀，結合地質資料及測量資料，對偏位樁基的受力進行計算分析，為該橋的基礎處理提供決策依據。

1 場地地質情況

本工程場地位于灰巖地區，基巖上部河流沖積層較厚，地下水豐富，巖溶十分發育。地面以下為20～30 m粉(細)砂層、2～10 m中粗砂，之下為微風化灰巖;覆蓋層砂層厚，自穩性差，巖層裂隙發育，溶洞相對較少，但個別溶洞超深。

2 偏位位移分析

該橋地面塌陷后施工單位共進行三次有效測量，其中第一次測量值為回填之前的樁基偏位值，第二次和第三次測量值為回填之后的樁基偏位值，因此，本次受力分析時樁基偏位值按第一次測量值進行取值。對于承臺未施工的樁基，目標位移值即樁頂偏位按施工單位測量結果取值。對于承臺已施工的樁基，同一承臺處兩根樁基位移通常存在一定差異，為了便于結構分析，根據實測承臺四個角點位移推算承臺的平面內剛體位移Δx、Δy及轉角 θ，并以此作為結構分析的目標位移值，計算中不考慮承臺軸向變形。承臺位移分解如圖1所示。

圖1 承臺位移分解圖

3 樁基受力模式分析

地質勘探資料顯示，該橋塌陷區域覆蓋層主要為約30 m厚粉細砂夾淤泥質土(或細砂)，基巖為微風化灰巖。結合地面塌陷區的分布特征，對地面塌陷過程中樁的受力機理分析如下:基底溶洞的存在是本次塌陷出現的主要原因，受基樁施工對土體擾動及地下水作用的影響，土層以開放式溶洞口為中心下陷，并最終達到穩定狀態，形成漏斗狀塌陷坑。在土層下陷的過層中，基樁受兩側流動土體不平衡壓力影響發生變形，在塌陷區土體穩定后土壓力不會自然消除，使得樁頂呈現明顯的偏位，偏位的大小及方向與樁身承受的土壓力及其分布相關。

從塌陷后樁基狀態調查結果來看，根據樁基位置與塌陷坑的平面位置關系可將目前受塌陷影響的樁基分為三類:樁位1—樁基處于塌陷核心區，樁周地面線較為平整;樁位2—樁基處于塌陷后的斜坡上;樁位3—樁基處于塌陷區之外，如圖2所示。圖2中的B為塌陷區地表寬度;B'為塌陷核心區寬度;b為溶洞或土洞頂面寬度;H為基巖覆蓋層厚度;φ為土層自然休止角。

根據以下基本假定確定上述樁基計算力學模式:①基巖覆蓋層土體為均勻砂性土;②產生樁身位移的不平衡力由穩定土層分界線以上土體提供;③穩定土層分界線以下的樁土相互作用按“m法”以土彈簧進行模擬;④樁身在基巖面嵌固。

三種狀態下樁基受力模式如圖3所示。

圖2 塌陷區樁位分類示意

圖3 樁基計算力學模式示意

模式一:樁基處于塌陷核心區，樁身自由長度為h，地面線以下沿樁基埋深作用三角形荷載;

模式二:樁基處于塌陷后的斜坡上，樁身自由長度為h，地面線以下沿樁基埋深作用三角形荷載，穩定土層分界線之下作用土彈簧;

模式三:樁基處于塌陷區之外，地面線以下沿樁基埋深作用三角形荷載，穩定土層分界線之下作用土彈簧。

三種計算模式均以塌陷后樁頂偏位值為目標推算樁身最不利內力，對其受力性能及后續可使用性作出初步判斷?？紤]回填糾偏亦是對偏位樁基施加單向土壓力，回填后偏位樁基的受力計算仍按上述假定及分類進行受力分析。

4 計算模型

結構計算采用大型通用有限元程序ANSYS進行。對于承臺未施工的各樁，按單樁建立結構模型;對于承臺已施工的情況，則建立由樁和承臺共同受力的的框架結構模型，如圖4所示。樁基和承臺均采用梁單元BEAM44，截面尺寸按實際構造取值。土彈簧采用彈簧單元COMBIN14，彈簧剛度k值按“m法”換算。

根據塌陷區的影響范圍，目前已施工的1#～15#橋墩共計有50根樁(10根樁尚未施工)，按照上述分類原則，各樁采用計算模式如下:

模式一:4#墩 AB樁、5#墩 A樁;

模式二:3#墩 ABCD 樁、4#墩 CD 樁、5#墩 CD 樁、6#墩AB樁和7#墩AB樁;

圖4 結構計算模型示意

模式三:1#墩 ABCD樁、2#墩 BCD樁、6#墩 CD樁、7#墩 CD 樁、8#墩 ABCD 樁、9#墩 ABCD 樁、10#墩 ACD樁、11#墩 D 樁、12#墩 ABCD 樁、13#墩 ABCD 樁、14#墩ACD樁和15#墩 B樁。

5 計算結論

根據前述結構計算模式，樁身典型彎矩分布如圖5所示。

圖5 樁身典型彎矩分布(單位:kN·m)

綜合塌陷后、回填后以及運營階段(運營階段引起樁身最大內力與偏位引起的樁身最大內力不在同一位置)結構受力分析的結果，將本次受塌陷影響的50根樁基的受力狀態分為三類:

1)塌陷及回填對樁身受力影響較小，樁基可有條件利用，包括1#ABCD、2#BCD、8#A、9#BC、12#CD 和13#A樁，共13根。

2)塌陷及回填對樁身受力影響較大，樁基繼續利用的可能性較小，包括 3#ABCD、4#AB、5#ACD、6#ABCD、7#AB、9#D、11#D、13#C、14#ACD 和 15#B 樁，共 22 根。

3)樁身受力狀況尚不明確，有待進一步調查，包括4#CD、7#CD、8#BCD、9#A、10#ACD、12#AB 和 13#BD 樁，共15根。經專家會論證，此部分樁基最終將繼續使用。

6 結語

經比較，采用本文假定的塌陷區樁基計算模型，樁基偏位后的受力計算結果與設計單位采用包絡方法的計算結論基本一致，專家會決定上述樁基的處理方案按計算結論和意見執行。若偏位樁基全部重新加樁，需增加工程造價約630萬元左右(φ160 cm樁基加樁單價按5 900元/m估算)，且工期無法滿足通車要求。

由于兩種方法均以樁基偏位測量值為已知參數推算樁身受力，因此樁身偏位測量值的準確性(施工單位提供的偏位值均由結構物偏位后坐標與設計坐標比較得出)對計算結果有著至關重要的作用。此外，上述計算結論目前難以采用有效的方法(超聲波、小應變及鉆孔取芯等方法均進行了嘗試)進行驗證，這將是塌陷區樁基檢測的一個新課題。

［1］中華人民共和國交通部，JTG D63—2007 公路橋涵地基與基礎設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［2］中華人民共和國交通部，JTG D60—2004 公路橋涵設計通用規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］中華人民共和國交通部，JTG D62—2004 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學［M］.北京:清華大學出版社，1994.

［5］姚連凱.客運專線橋梁基礎沉降計算和分析［J］.鐵道建筑，2007(12):13-15.