李志偉，楊建學，俞偉，陳致富

（1.福建省建筑科學研究院，福州350025；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福州350025）

軟土地基堆載對橋梁樁基影響及保護分析

李志偉1,2，楊建學1,2，俞偉1,2，陳致富1,2

（1.福建省建筑科學研究院，福州350025；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福州350025）

在軟土地區，橋梁樁基周邊的不對稱堆載將引發樁基產生偏位，并產生附加彎矩，嚴重時將影響橋梁的安全使用。結合具體工程實例，分析了不對稱堆載及后期行車荷載對橋梁樁基的內力與變形的影響，對樁基豎向承載力、抗彎承載力及裂縫進行驗算，并對堆土反壓措施的保護效果進行分析。通過分析結果可知，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生一定程度的偏位，并將在樁身產生較大的附加彎矩；而位于堆載中心區域因堆載較為均衡，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；軟土地基

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

1 引言

在軟土地區，軟土具有抗剪強度低、透水性低、壓縮性高、觸變性強等特性，故在橋梁基礎設計過程中，基于地基承載力、變形及穩定性等方面的考慮，橋梁的基礎形式通常采用樁基礎。盡管樁基礎在軟土地基的應用具有諸多獨特優勢，但由于橋梁樁基礎的抗側移剛度較差，基樁在軟土地基中出現傾斜、偏位等病害亦屢見不鮮[1～6]，主要體現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橋梁地基土的變形，并直接導致橋梁樁基發生偏位，嚴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，國內外學者進行了較為深入的研究，包括室內試驗、現場試驗、數值計算等方面[7～13]

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

因此，針對軟土地區周邊不對稱堆載對橋梁樁基的影響，本文結合具體工程實例，分析了不對稱堆載及后期行車荷載對橋梁樁基的內力與變形的影響，并對樁基豎向承載力、抗彎承載力及裂縫進行驗算。同時，結合不對稱堆載的分析結果，對堆土反壓措施的保護效果進行分析，驗證了堆土反壓對樁基保護的有利作用。

2 工程概況

2.1 橋梁尺寸

A特大橋跨越河道及內澇軟基路段的大型橋梁，上部由25m和30m跨的預應力混凝土連續T梁組成，下部采用雙柱式橋墩，基礎為鉆孔灌注樁。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構設計為6×30m預應力混凝土連續T梁，下部結構為柱式墩配樁基，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，嵌入微風化凝灰巖，樁長為49m。橋墩和樁基混凝土標號均為C25。

2.2 場地地質條件

場地內土層自上而下分別為填土、淤泥、中砂、淤泥質土夾砂、中砂夾泥、淤泥質黏土、卵石、強風化凝灰熔巖、微風化凝灰熔巖，各土層分布及參數具體如表1所示。

表1 土層物理力學參數

B大橋接線在下穿段對應路面設計黃海高程為4.881m，原地面標高設計為黃海高程為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#墩柱的設計參數如表2所示。

表2 墩柱及樁基基本情況

3 分析模型

3.1 計算模型

本工程采用平面應變模型進行分析，土層厚度取60m，樁基兩側土體寬度取30m，單側路堤填土為1.7m，寬度為30m，路面荷載為12.75kPa。模型左、右側邊界約束土體水平位移，底部邊界約束土體豎向位移。土體本構模型采用摩爾-庫倫模型，其具體參數如表1所示。樁基及墩柱均按照表2參數進行分析，且剛度均按樁基及墩柱的抗彎剛度和軸向剛度進行等效，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行簡化模擬。

4 樁基豎向承載力驗算

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

圖2 計算模型示意圖

由于135#和136#墩基樁為摩擦樁，依據規范規定，樁身計算中性點以上負摩阻力為零，僅取樁身中性點以下側摩阻力進行驗算。為安全起見，假設卵石以上土層均產生負摩阻力，均不考慮其摩阻力對基樁豎向承載力的貢獻，僅考慮卵石、強風化凝灰熔巖的作用，計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，依據規范規定，應考慮樁身計算中性點以上的負摩阻力所產生的下拉荷載，豎向承載力取取樁身中性點以下側摩阻力進行驗算。為安全起見，仍假設卵石以上土層均產生負摩阻力，在計算下拉荷載時計算卵石以上土層的摩阻力，而基樁豎向承載力僅考慮卵石、強風化凝灰熔巖、微風化凝灰熔巖的作用，故基樁豎向承載力Ra取值為9 724kN，負摩阻力產生的下拉荷載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 無堆土反壓的計算結果

5.1 偏位計算結果

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#墩基樁及墩柱均發生了一定程度的順橋向偏位，而136#墩因兩側荷載基本平衡，基樁和墩柱基本不發生偏位。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#墩樁身均產生較顯著的附加彎矩，且最大彎矩發生在淤泥質土層與卵石層交界處（深度約32m）；而136#墩位于堆載中心區域，兩側堆載較為均衡，其基樁產生的附加彎矩很小。

依據規范，可得基樁的抗彎承載力具體結果如表5所示。

由表5中各墩樁身彎矩設計值與抗彎承載力的對比可知：135#、136#、137#墩的基樁樁身彎矩設計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 樁基裂縫寬度驗算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）第6.4.5條，對灌注樁樁身混凝土最大裂縫寬度進行計算，計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《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTGD62-2004）表1.0.7規定可知，本工程樁基所處環境類別為Ⅰ級，其混凝土構件的最大裂縫寬度不應超過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，即已超過規范規定的最大裂縫寬度限值，而136#墩所產生的附加彎矩很小，故在路堤填土及道路荷載的作用下樁身不產生裂縫。

6 堆土反壓計算結果

6.1 偏位計算結果

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時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 樁基抗彎承載力驗算

在路堤填土、反壓土及道路荷載共同作用下，基樁產生的附加彎矩如圖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 樁基裂縫寬度驗算

根據上述計算所得的彎矩，計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，即均小于規范規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 結語

結合具體工程實例，分析了不對稱堆載及后期行車荷載對橋梁樁基的內力與變形的影響，對樁基豎向承載力、抗彎承載力及裂縫進行驗算，并對堆土反壓措施的保護效果進行分析，驗證了堆土反壓對樁基保護的有利作用。具體結論如下：

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生一定程度的偏位，并將在樁身產生較大的附加彎矩；而位于堆載中心區域因堆載較為均衡，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

福建省科技計劃項目（2014Y0016）,福建省建設科技研究開發項目（2012K15）

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