河床防護層對橋梁群樁基礎承載性能影響的監測分析

丁 迪，陳志堅

河床防護層對橋梁群樁基礎承載性能影響的監測分析

丁 迪，陳志堅

(河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

基于蘇通大橋北主墩運營期的實測數據，對樁身軸力進行分析，進而評價河床防護層對群樁基礎承載性能的影響。通過監測數據發現，樁身穿過河床防護層后的軸力及變化幅度均發生大幅衰減，這表明蘇通大橋所采用的河床防護層對于提高群樁基礎的承載性能和整體穩定性，控制沉降，改善傳力機理等方面具有十分重要的意義。

承載性能；河床防護；河床沖刷；群樁基礎；樁身軸力

大型橋梁工程中，深水群樁基礎由于其自身具有的諸多優勢而被大規模地使用。深水群樁基礎規模龐大，對河流水沙條件的影響比較強烈，尤其是對基樁為摩擦樁的群樁基礎（如蘇通大橋）而言，承載性能和安全穩定性對河床條件非常敏感[1]。河床防護與橋梁建設息息相關，當土性軟弱時，河床防護層對群樁基礎承載性能的影響更是至關重要的，具體的防護效果則需要根據實時跟蹤監測得到的數據來進一步地進行分析驗證。因此，本文以蘇通大橋北主墩運營期樁身軸力監測的實測數據為基礎，針對河床防護層對群樁基礎承載性能和受力安全性的影響進行分析評價，為橋梁深水群樁基礎的安全運營提供了有效的保障。

1 工程概況

蘇通長江公路大橋位于南通市和蘇州（常熟）市之間，主航道橋為主跨1 088 m的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，索塔高300.40 m，呈倒“Y”字型。橋位區處于長江下游潮汐河段，鄰近長江入海口，水深流急，水文和氣象條件復雜。其主塔墩采用了在建時世界上規模最大的超大型深水群樁基礎，平面面積達到5 603m2，承臺采用了變厚度梯形截面啞鈴型承臺。北主墩（主4#墩）和南主墩（主5#墩）均采用了131根上段直徑2.8 m、下段直徑2.5 m的大直徑、超長、變直徑鉆孔灌注樁基礎，呈梅花形布置[2]。橫橋向共布置9排樁，縱橋向每排布置12～17根樁，樁頂高程均為-7.0 m，樁底高程為-124.0 m（主4#墩）和-121.0 m（主5#墩）。

北主墩處的河床上覆土層主要為深厚、松散的粉細砂，從靜止狀態轉為運動狀態所需要的水流速度較小，局部沖刷過程嚴重[3]。基于保護河床免遭劇烈沖刷和提高主墩樁基安全性的考慮，蘇通大橋對其主墩范圍內及附近區域的河床采取了結合預防護與永久防護的防護措施。依據樁-土共同作用機理和群樁基礎局部范圍內的沖淤形態，以承臺區域為中心，河床防護層在平面劃分上由核心區、永久防護區和護坦區三部分組成。核心區為承臺外圍約20 m的區域，局部沖刷最為嚴重；核心區外圍為永久防護區，南北側寬度約為45 m，上下游側寬度約為40 m，樁-土共同作用較為活躍；永久防護區外約45 m的范圍即為最外圍的護坦區，為永久防護區提供緩沖和沖刷保護。

在鉆孔平臺搭設之前，先通過開體駁定點拋投袋裝沙進行預防護，便于級配碎石防護層的形成，并通過儀器觀測對未完善區域進行補拋；鋼護筒沉放至半程時，對永久防護區的上游側和護坦區拋投級配碎石，沉放完成后對核心區定點吊拋級配碎石和護面塊石；待整個鉆孔平臺完工后，開始對永久防護區的下游側和護坦區拋投級配碎石，并對上述兩區域所屬范圍定位拋投護面塊石[4]。河床防護層的具體分層結構如表1所示，由底部到頂部依次為袋裝沙、級配碎石和護面塊石。經驗證，所采用的袋裝沙、級配碎石和護面塊石均滿足蘇通大橋橋位區河床的穩定性要求。

表1 蘇通大橋主墩河床防護層結構(單位：m)Tab.1 The riverbed protective layer construction of Sutong Bridge’s main pier (unit: m)

圖1 主4#墩基樁軸力監測系統樁位分布Fig.1 Piles distribution of the main 4# pier’s foundation piles axial force monitoring system

2 監測樁位及監測斷面的布置

根據設計方案，主4#墩基樁軸力監測系統共包含10根樁：承臺上游側邊樁（1#、29#、64#），中心樁（32#）及近系梁區樁（36#）；承臺下游側邊樁（77#、100#、122#、126#）及中心樁（104#）。每根樁均設置8個監測斷面，高程分別是-12.0、-25.0、-30.0、-45.0、-55.0、-75.0、-95.0、及-123.0 m，為方便監測結果的分析與評價，由高到低編號依次為①～⑧。每個斷面各布置2套混凝土應變計，第①、⑥、⑦斷面各布置2套鋼筋應力計，第②、③、④、⑤斷面各布置4套鋼筋應力計。與此同時，在高程-124.5 m處布置2套頂出式壓力盒。具體的樁位分布如圖1所示。

圖2 77#樁各斷面樁身軸力變化過程曲線Fig.2 Changing process curve of pile body axial force of 77# pile’s each section

圖3 77#樁各時段樁身軸力沿深度分布全量圖Fig.3 Depth distribution full dose figure of pile body axial force of 77# pile’s each period

圖4 77#樁各時段樁身軸力沿深度分布增量圖Fig.4 Depth distribution increment figure of pile body axial force of 77# pile’s each period

圖5 77#樁樁周摩阻力沿深度分布圖Fig.5 Depth distribution figure of friction resistance around pile of 77# pile

3 監測結果分析

由于樁身混凝土在澆注之前，基樁鋼筋籠的受力情況十分復雜，且同時受到混凝土水化熱的影響較為強烈，因此選擇樁身混凝土澆注完成一段時間之后的監測數據作為初值，并疊加基樁自重應力。據此，本文以蘇通大橋主4#墩為研究對象，選取了蘇通大橋通車運營過程中2013年1月2日至2013年2月10日的監測數據進行分析。

主4#墩基樁軸力監測系統共由10根監測樁組成，本文僅選擇具有代表性的承臺下游側邊樁77#樁開展研究。

根據前述監測斷面的布置情況，第①斷面位于封底混凝土內，第②斷面位于河床面之上樁身自由段，第③斷面已經穿過河床防護層，第④、⑤斷面分別位于鋼護筒的下部和底部。77#樁在所選監測時段內各斷面的樁身軸力變化過程曲線如圖2所示，77#樁各時段樁身軸力沿深度分布的全量圖如圖3所示，沿深度分布的增量圖（起算時間為2005年2月17日）如圖4所示，樁周摩阻力沿深度的分布如圖5所示，具體數值是由各高程斷面的軸力監測結果再通過計算得出的。

在數據處理的過程當中，采用小波分層消噪技術，并剔除數據中的異常值[5]，最后通過數據融合得到全過程的有效數據。現場的實測數據表明，樁身在穿過河床防護層以后，樁身軸力及其變化的幅度都出現了較大幅度的衰減，值明顯小于上級監測斷面。由此不難看出，河床防護層對于提高群樁基礎整體的承載性能具有顯著的效果。

4 承載性能影響的機理與評價

在對蘇通大橋主4#墩和主5#墩基樁軸力監測系統中所涵蓋的所有樁軸力監測結果進行整理后發現，各基樁在穿過河床防護層之后，樁身軸力均發生了明顯的衰減。蘇通大橋橋位區鄰近長江入海口，水深流急，河床底質松軟，沖刷現象相對劇烈。與此同時，規模龐大的群樁基礎勢必會造成水流在其周邊范圍內的加速流動，從而在一定程度上加劇了河床的沖刷程度，危及群樁基礎的安全穩定性[6]。因此，蘇通大橋主墩群樁基礎采用了袋裝沙+級配碎石+護面塊石的河床沖刷防護措施，并采取了袋裝沙預防護的創新手段。在基樁鋼護筒插打之前先進行袋裝沙的拋投，同時施工期主4#墩基樁鉆孔鉆機鉆進至-36 m高程時，從吸出的泥漿中仍然可以觀察到土工布碎片殘留。這就意味著沙袋在鋼護筒插打的過程當中被比較深地擠入到河床底質層中，保證了其良好的著床效果，結果表明該措施在河床沖刷防護上起到了顯著的效果。

此外，該措施還大幅度提高了群樁基礎的整體性和基樁的承載力，減輕了群樁效應的不利影響。河床防護層覆蓋面廣，對地基土大范圍的整體壓蓋作用使得應力擴散角變大[7]。樁穿過防護層后樁身軸力驟減，由此計算得到的防護層摩阻力要遠大于松散體極限摩阻力。大量的沙袋碎片在鋼護筒插打的過程中被機械擠入河床底質層，導致樁周土層的擠密作用明顯增強，且選用的沙袋材料透水性能良好，可以加速地基土的排水固結，增強樁周土的承載性能，進而提高群樁基礎的承載性能[8]。

5 結論

1）蘇通大橋群樁基礎河床防護工程運營期大量的監測數據結果表明，群樁基礎各基樁樁身在穿過河床防護層之后，樁身軸力及軸力的變化幅度會出現明顯的衰減。

2）對于易沖河床，蘇通大橋所采取的預防護與永久防護相結合的河床防護層措施對于提高深水群樁基礎的承載性能是非常有效的，確保了大橋的運營安全，也為其他深水基礎工程的設計與施工提供了參考。

3）河床防護層可以有效地提升群樁基礎的整體性和承載性能的安全儲備，控制群樁基礎的沉降和不均勻沉降，并在克服群樁效應所帶來的負面影響，改善群樁基礎的傳力機理等諸多方面都具有十分重要的意義。

[1]劉大偉.超大型深水群樁基礎受力分析與安全監控模型研究[D].南京：河海大學，2006.

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[3]盧中一，高正榮.大型涉水群樁橋基局部沖刷特性試驗研究[J].海洋工程，2009，27(1)：70-76.

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[5]陳志堅，陳 松，董學武，等.巖土工程安全監測異常值屬性的識別方法[J].水電自動化與大壩監測，2004，28(1)：40-44.

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[7]薛 濤，劉文淑，姚宇闐.蘇通大橋群樁基礎應力擴散角反演分析[J].河海大學學報：自然科學版， 2010，38(1)：76-79.

[8]周 偉，李小青，范 薇.地基土體排水固結沉降的ADINA分析[J].交通科技，2006(6)：34-36.

Monitoring analysis on the effects of bearing capacity of riverbed protective layer on pile group foundation of the bridge

DING Di，CHEN Zhijian
(School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Jiangsu Nanjing, 211100, China)

bearing capacity; riverbed protection; riverbed scouring; pile group foundation; axial force of pile body

TU473.1

A

1673-9469（2017）03-0065-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.03.014

2017-05-10

江蘇省政策引導類計劃項目(BY2015002-05)

丁迪（1991-），男，河南鄭州人，碩士，從事地質體穩定與安全監測方面的研究。

Absract：Based on measured data of the Sutong Bridge’s north main pier during operation period, the paper analyzest the axial force of pile body, and then evaluates the effect of bearing capacity of the pile group foundation on the riverbed protective layer. According to the monitoring data, both the axial force and its amplitude of variation weaken sharply after piles pass through the riverbed protective layer. It shows that the riverbed protective layer used by the Sutong Bridge is of great significance in improving bearing capacity and global stability of pile group foundation, controlling settlement and improving force transfer mechanism.