軟土地基堆載對橋梁樁基影響及保護(hù)分析

李志偉，楊建學(xué)，俞偉，陳致富

（1.福建省建筑科學(xué)研究院，福州350025；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350025）

軟土地基堆載對橋梁樁基影響及保護(hù)分析

李志偉1,2，楊建學(xué)1,2，俞偉1,2，陳致富1,2

（1.福建省建筑科學(xué)研究院，福州350025；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350025）

在軟土地區(qū)，橋梁樁基周邊的不對稱堆載將引發(fā)樁基產(chǎn)生偏位，并產(chǎn)生附加彎矩，嚴(yán)重時將影響橋梁的安全使用。結(jié)合具體工程實(shí)例，分析了不對稱堆載及后期行車荷載對橋梁樁基的內(nèi)力與變形的影響，對樁基豎向承載力、抗彎承載力及裂縫進(jìn)行驗(yàn)算，并對堆土反壓措施的保護(hù)效果進(jìn)行分析。通過分析結(jié)果可知，在路堤填土和道路荷載的作用下，位于堆載邊緣的墩柱及基樁均將發(fā)生一定程度的偏位，并將在樁身產(chǎn)生較大的附加彎矩；而位于堆載中心區(qū)域因堆載較為均衡，堆載對墩柱及基樁的偏位、樁身附加彎矩的影響則很小。當(dāng)橋梁墩柱周邊采用堆土反壓時，反壓土對于控制墩柱及樁基的偏位具有較好的作用，對控制基樁附加彎矩及裂縫寬度均具有明顯效果。

不對稱堆載；橋梁樁基；保護(hù)；軟土地基

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.018

1 引言

在軟土地區(qū)，軟土具有抗剪強(qiáng)度低、透水性低、壓縮性高、觸變性強(qiáng)等特性，故在橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中，基于地基承載力、變形及穩(wěn)定性等方面的考慮，橋梁的基礎(chǔ)形式通常采用樁基礎(chǔ)。盡管樁基礎(chǔ)在軟土地基的應(yīng)用具有諸多獨(dú)特優(yōu)勢，但由于橋梁樁基礎(chǔ)的抗側(cè)移剛度較差，基樁在軟土地基中出現(xiàn)傾斜、偏位等病害亦屢見不鮮[1～6]，主要體現(xiàn)在橋梁施工或使用過程中，因施工堆載、路基填土或使用期間橋下大面積填土而引發(fā)橋梁地基土的變形，并直接導(dǎo)致橋梁樁基發(fā)生偏位，嚴(yán)重時甚至威脅橋梁的安全。

針對橋梁周邊堆土對樁基的影響，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了較為深入的研究，包括室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算等方面[7～13]

的分析與探討，一般認(rèn)為：當(dāng)樁周堆載不均衡時，堆載將導(dǎo)致軟弱地基土發(fā)生側(cè)向變形，對樁基將產(chǎn)生側(cè)向擠推作用，最終導(dǎo)致樁基、橋墩及上部橋面發(fā)生側(cè)向偏位，嚴(yán)重時將引發(fā)樁身發(fā)生開裂破壞，從而破壞橋梁的正常使用功能。由此可見，在軟土地區(qū)，橋梁周邊鄰近堆載將對橋梁樁基產(chǎn)生較為不利的影響，尤其是當(dāng)堆載荷載較大時，其產(chǎn)生不利影響將不容小視。

因此，針對軟土地區(qū)周邊不對稱堆載對橋梁樁基的影響，本文結(jié)合具體工程實(shí)例，分析了不對稱堆載及后期行車荷載對橋梁樁基的內(nèi)力與變形的影響，并對樁基豎向承載力、抗彎承載力及裂縫進(jìn)行驗(yàn)算。同時，結(jié)合不對稱堆載的分析結(jié)果，對堆土反壓措施的保護(hù)效果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了堆土反壓對樁基保護(hù)的有利作用。

2 工程概況

2.1 橋梁尺寸

A特大橋跨越河道及內(nèi)澇軟基路段的大型橋梁，上部由25m和30m跨的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁組成，下部采用雙柱式橋墩，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。B大橋接線在K2+220段處下穿A特大橋，下穿孔墩柱號為135#～137#，具體平面布置見圖1。

圖1 橋梁平面布置圖

A特大橋下穿段上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為6×30m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩配樁基，墩柱直徑為1.5m，樁基采用直徑為1.6m的灌注樁，其中，第135#和第136#墩柱樁基為摩擦樁，樁長分別為47.5m和48.5m，第137#墩柱樁基為端承樁，嵌入微風(fēng)化凝灰?guī)r，樁長為49m。橋墩和樁基混凝土標(biāo)號均為C25。

2.2 場地地質(zhì)條件

場地內(nèi)土層自上而下分別為填土、淤泥、中砂、淤泥質(zhì)土夾砂、中砂夾泥、淤泥質(zhì)黏土、卵石、強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖、微風(fēng)化凝灰熔巖，各土層分布及參數(shù)具體如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

B大橋接線在下穿段對應(yīng)路面設(shè)計(jì)黃海高程為4.881m，原地面標(biāo)高設(shè)計(jì)為黃海高程為3.251m，即在原場地上堆填1.63m的填土，路面荷載為12.75kPa。

第135#～137#墩柱的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 墩柱及樁基基本情況

3 分析模型

3.1 計(jì)算模型

本工程采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析，土層厚度取60m，樁基兩側(cè)土體寬度取30m，單側(cè)路堤填土為1.7m，寬度為30m，路面荷載為12.75kPa。模型左、右側(cè)邊界約束土體水平位移，底部邊界約束土體豎向位移。土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，其具體參數(shù)如表1所示。樁基及墩柱均按照表2參數(shù)進(jìn)行分析，且剛度均按樁基及墩柱的抗彎剛度和軸向剛度進(jìn)行等效，具體路堤填土及堆土反壓分析模型如圖2所示。

同時，為考慮上部橋梁對墩柱位移所產(chǎn)生的約束作用，本工程在墩柱頂部采用彈簧支座對橋梁約束進(jìn)行簡化模擬。

4 樁基豎向承載力驗(yàn)算

為考慮該負(fù)摩阻力對基樁豎向承載力產(chǎn)生的不利影響，本文對基樁豎向承載力進(jìn)行驗(yàn)算，盡管路堤填土僅是在基樁周邊進(jìn)行局部堆載，但仍以大面積堆載進(jìn)行考慮，即按最不利情況予以考慮。

圖2 計(jì)算模型示意圖

由于135#和136#墩基樁為摩擦樁，依據(jù)規(guī)范規(guī)定，樁身計(jì)算中性點(diǎn)以上負(fù)摩阻力為零，僅取樁身中性點(diǎn)以下側(cè)摩阻力進(jìn)行驗(yàn)算。為安全起見，假設(shè)卵石以上土層均產(chǎn)生負(fù)摩阻力，均不考慮其摩阻力對基樁豎向承載力的貢獻(xiàn)，僅考慮卵石、強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖的作用，計(jì)算所得基樁豎向承載力Ra為6959kN。基樁頂部荷載最大值采用墩柱頂部荷載最大值加墩柱及系梁自重，即Nk為6 764kN。故Nk＜Ra，即在大面積堆土情況下，135#和136#墩基樁豎向承載力可滿足要求。

考慮到137#墩基樁為端承樁，依據(jù)規(guī)范規(guī)定，應(yīng)考慮樁身計(jì)算中性點(diǎn)以上的負(fù)摩阻力所產(chǎn)生的下拉荷載，豎向承載力取取樁身中性點(diǎn)以下側(cè)摩阻力進(jìn)行驗(yàn)算。為安全起見，仍假設(shè)卵石以上土層均產(chǎn)生負(fù)摩阻力，在計(jì)算下拉荷載時計(jì)算卵石以上土層的摩阻力，而基樁豎向承載力僅考慮卵石、強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖、微風(fēng)化凝灰熔巖的作用，故基樁豎向承載力Ra取值為9 724kN，負(fù)摩阻力產(chǎn)生的下拉荷載Qgh為2 411kN。基樁頂部荷載最大值采用墩柱頂部荷載最大值加墩柱及系梁自重，即Nk為6 764kN。故Nk+Qgn＜Ra，即137#墩基樁豎向承載力亦可滿足要求。

5 無堆土反壓的計(jì)算結(jié)果

5.1 偏位計(jì)算結(jié)果

在填筑路堤填土并施加道路荷載后，基樁及墩柱的偏位情況如圖3和表3所示。

圖3 基樁及墩柱偏位曲線

表3 墩柱及樁基水平偏位

由圖3及表3可知，在不均衡荷載的作用下，135#和137#墩基樁及墩柱均發(fā)生了一定程度的順橋向偏位，而136#墩因兩側(cè)荷載基本平衡，基樁和墩柱基本不發(fā)生偏位。這表明橋梁樁基偏位主要源于不對稱堆載的作用，而位于堆載中心區(qū)域因堆載較為均衡，樁基偏位則很小。

5.2 樁基抗彎承載力驗(yàn)算

在路堤填土及道路荷載的作用下，基樁的彎矩如圖4及表4所示。

由圖4、表4知，在路堤填土及道路荷載作用下，135#和137#墩樁身均產(chǎn)生較顯著的附加彎矩，且最大彎矩發(fā)生在淤泥質(zhì)土層與卵石層交界處（深度約32m）；而136#墩位于堆載中心區(qū)域，兩側(cè)堆載較為均衡，其基樁產(chǎn)生的附加彎矩很小。

依據(jù)規(guī)范，可得基樁的抗彎承載力具體結(jié)果如表5所示。

由表5中各墩樁身彎矩設(shè)計(jì)值與抗彎承載力的對比可知：135#、136#、137#墩的基樁樁身彎矩設(shè)計(jì)值均小于其樁身抗彎承載力，即上述墩柱的基樁抗彎承載力均可滿足要求。

5.3 樁基裂縫寬度驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）第6.4.5條，對灌注樁樁身混凝土最大裂縫寬度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算所得的各墩柱基樁樁身混凝土裂縫寬度最大值如表6所示。

表4 樁基彎矩值

表5 基樁抗彎承載力

表6 基樁最大裂縫寬度

依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62-2004）表1.0.7規(guī)定可知，本工程樁基所處環(huán)境類別為Ⅰ級，其混凝土構(gòu)件的最大裂縫寬度不應(yīng)超過0.20mm，即裂縫寬度限值為0.20mm。

因此，在路堤填土及道路荷載的作用下，135#和137#墩的樁身裂縫寬度最大值均超過了0.20mm，即已超過規(guī)范規(guī)定的最大裂縫寬度限值，而136#墩所產(chǎn)生的附加彎矩很小，故在路堤填土及道路荷載的作用下樁身不產(chǎn)生裂縫。

6 堆土反壓計(jì)算結(jié)果

6.1 偏位計(jì)算結(jié)果

在路堤填土、反壓土及道路荷載共同作用下，基樁及墩柱的偏位情況如圖5和表7所示。

圖5 基樁及墩柱偏位曲線

表7 墩柱及樁基水平偏位

由圖5及表7可知，在路堤填土、道路荷載及反壓土的共同作用下，基樁、墩柱及鉛垂偏移相比無反壓土?xí)r均有一定程度的減小。這表明反壓土的填筑對于減小墩柱及樁基的偏位均起到有利的作用，可在一定程度上控制墩柱及樁基的偏位。

6.2 樁基抗彎承載力驗(yàn)算

在路堤填土、反壓土及道路荷載共同作用下，基樁產(chǎn)生的附加彎矩如圖6和表8所示。

圖6 基樁彎矩值

表8 基樁抗彎承載力

由圖6和表8可知，在路堤填土、反壓土及道路荷載的共同作用下，135#、136#、137#墩的基樁樁身彎矩值均明顯減小，且均小于其樁身抗彎承載力，顯然三個墩柱的基樁抗彎承載力均可滿足要求。

6.3 樁基裂縫寬度驗(yàn)算

根據(jù)上述計(jì)算所得的彎矩，計(jì)算所得的各墩柱基樁樁身混凝土裂縫寬度最大值如表9所示。

表9 基樁最大裂縫寬度

通過表9可知，在路堤填土、反壓土及道路荷載的共同作用下，135#、136#及137#墩的樁身裂縫寬度最大值均小于0.20mm，即均小于規(guī)范規(guī)定的最大裂縫寬度限值，這表明135#、136#及137#墩基樁的裂縫寬度均可滿足規(guī)范要求，即反壓土的填筑對控制135#及137#墩的樁身裂縫寬度起到了重要的控制作用。

7 結(jié)語

結(jié)合具體工程實(shí)例，分析了不對稱堆載及后期行車荷載對橋梁樁基的內(nèi)力與變形的影響，對樁基豎向承載力、抗彎承載力及裂縫進(jìn)行驗(yàn)算，并對堆土反壓措施的保護(hù)效果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了堆土反壓對樁基保護(hù)的有利作用。具體結(jié)論如下：

1）在路堤填土和道路荷載的作用下，位于堆載邊緣的墩柱及基樁均將發(fā)生一定程度的偏位，并將在樁身產(chǎn)生較大的附加彎矩；而位于堆載中心區(qū)域因堆載較為均衡，堆載對墩柱及基樁的偏位、樁身附加彎矩的影響則很小。

2）當(dāng)橋梁墩柱周邊采用堆土反壓時，反壓土對于控制墩柱及樁基的偏位具有較好的作用，對控制基樁附加彎矩及裂縫寬度均具有明顯效果。

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Analysis of the Impact of Surcharge ontheBridge Pile and theProtection in Soft Soil Area

LI Zhi-wei1,2,YANG Jian-xue1,2,YUWei1,2,CHEN Zhi-fu1,2
(1.FujianAcademyofBuildingResearch,Fuzhou350025,China; 2.FujianKeyLaboratoryofGreenBuildingTechnology,Fuzhou350025,China)

Insoftsoilarea,thelateraldisplacementandtheadditionalbendingmomentofthebridgepilewillbecausedbytheasymmetric load,whichwillaffectthesafetyofthebridge.Combinedwithspecificengineering,theimpactoftheasymmetricloadandvehicleloadonthe bridgepileisanalyzed.Theverticalbearingcapacity,bendingcapacityandmaximumcrackwidthofthepileisreviewed,andtheprotection effectoftheearthbermisanalyzed.Theanalysisresultshowsthat,thelateraldisplacementofthebridgepilewillbecausedundertheactionof the asymmetric load and vehicle load,and additional bending moment will be produced at the same time.The lateral displacement and the additionalbendingmomentcanbeignored,whenthesurroundingloadisrelativelybalanced.Theearthbermhasgoodeffectoncontrollingthe deflection of the bridge pile,which is used to ensure the balance of the pile foundation.In addition,it has obvious effect on the control of additionalbendingmomentandcrackwidthofpile.

asymmetricload;bridgepile;protection;softsoilarea

U443.15

A

1007-9467（2016）07-0081-05

2016-03-25

福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014Y0016）,福建省建設(shè)科技研究開發(fā)項(xiàng)目（2012K15）

李志偉（1984～），男，福建泉州人，高級工程師，從事巖土工程設(shè)計(jì)與研究，（電子信箱）lzhw@fjjky.com。