河道疏浚對城市橋梁的影響分析

任東華 袁浩 康圣雨

（中鐵西南科學研究院有限公司）

1 工程概況

某跨河城市橋梁橋長290m、寬18m。主橋采用變截面預應力混凝土連續梁橋，跨徑組合為30m+2×45m+30m。引橋由2 跨預應力混凝土連續梁橋和1 跨現澆鋼筋混凝土簡支空心板橋組成，跨徑組合均為2×30m+10m。橋墩采用變截面矩形橋墩，基礎均采用鉆孔灌注樁，樁基直徑均為1.5m，樁端嵌入完整穩定的弱風化巖層，嵌入深度≥6m。

為提升河道防洪能力預留疏浚作業空間，擬對河床進行開挖。現狀場地整體地形有一定的起伏，河床標高為440.337～441.704m。疏浚要求的河床標高不得高于436.00m，否則將導致樁基外露24.2～131.3㎝。

橋位場地工程地質情況：⑴范圍內地基土按時代和成因劃分為：第四系全新統雜填土層①（Q4ml）、第四系全新統沖洪積（Q4al+pl）砂卵石層②、白堊系灌口組泥巖層③（K2g）三個工程地質層；⑵橋位場地地震基本烈度為Ⅵ度，場區地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35s。

為研究河床開挖基礎外露對樁基的影響，對河床開挖前后樁基受力與結構動力特性及地震響應進行了計算與分析。

2 有限元模擬分析

采用有限元計算軟件MIDAS Civil 進行計算，考慮自重、二期恒載、移動荷載、制動力、水流壓力、溫度荷載等作用，并結合現場檢測成果進行建模分析。

主梁、墩柱及樁基均采用空間桿系單元模擬，單元質量采用集中質量代表，支座依據實際支座的力學特性模擬，混凝土結構的阻尼比取0.05；樁土作用在模型中以節點彈簧支承模擬，地基彈性剛度按“m 法”結合地質情況近似模擬[1-2]。

3 樁基承載力驗算

本橋采用單排樁或雙排樁接承臺基礎，群樁效應不明顯。河床開挖后，由低樁承臺基礎變為高樁承臺基礎。對于端承樁，在樁端平面處地基所受壓力可認為只分布在樁端面積范圍內。因此可認為群樁基礎各樁的工作情況與獨立單樁相同[3]。

3.1 單樁豎向承載力驗算

根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363-2019）進行樁基礎的豎向承載力驗算。結合有限元計算得到最不利組合效應下各墩樁基最大反力，見表1。

表1 樁基反力計算結果

以最不利8#墩樁基為例進行驗算，河床疏浚下切前后樁基埋置深度內土質分布情況見表2。

按嵌入基巖中的鉆孔樁計算單樁軸向受壓承載力特征值Ra。8#墩單樁承載能力驗算結果：開挖前樁基最大反力為7085kN，開挖后為7148kN；開挖前承載力特征值為17650kN，開挖后為17184kN。

表2 河道疏浚前后樁基埋置深度內土質分布

由于河床疏浚，造成樁基上部土層減少，開挖后單樁豎向承載力特征值也降低。但該樁為端承樁，樁基大部分已嵌入中風化巖中，開挖部分的土層樁周土摩阻力標準值相對較小，因此對單樁豎向承載力特征值影響較小，開挖后樁基單樁豎向承載力滿足規范要求。

3.2 樁基強度及裂縫寬度驗算

按“m”法計算樁基作用效應，樁底嵌固在基巖中的單排樁式橋墩計算示意見圖1。

圖1 樁底嵌固在基巖中的單排樁式橋墩計算圖

圖中，H 為樁柱頂水平力；P 為樁柱頂豎向力；M 為樁柱頂彎矩；Δ 為樁柱頂水平位移；n 為樁式墩上段抗彎剛度E1I1與下段抗彎剛度EI 的比值；h1為地面到樁頂高度；h2為墩身高度；h 為地面到基巖厚度。

樁身入土段任一深度z 處的彎矩見表3。開挖后地面線以下土層范圍內樁截面內力均顯著增大，進入巖層后變化不大。開挖后樁基最大彎矩發生在距承臺底z=2.0m 處，此處設計最大彎矩為Mz，max=1402.9kN，相應豎向力為Nz=7981.8kN。

表3 地面或局部沖刷線處深度z 處樁截面內力

考慮偏心增大效應，開挖后最不利組合用下樁基截面強度驗算結果見表4。這里按圓形截面偏心受壓構件且滿足e0/r≤0.55，無需進行裂縫寬度驗算。

表4 開挖后樁基截面強度驗算結果

綜上可得，基礎外露后，由于附加彎矩作用，地面線以下土層范圍內樁截面內力均顯著增大，但樁基強度仍滿足要求。

3.3 樁基頂面水平位移驗算

根據上部結構靜力計算結果，8# 墩頂水平力H=346.5kN，豎向力P=20545kN。

樁頂水平位移驗算結果詳見表5。開挖后在附加彎矩作用下，樁柱頂水平位移有所增加，但未超限值。

表5 樁柱頂水平位移驗算結果

4 結構動力特性與地震響應分析

為研究河床開挖對結構動力特性的影響，根據計算模型進行模態分析。

開挖前后結構頻率見表6。開挖前后順橋向1 階振型均表現為8#墩縱向彎曲，橫向1 階振型表現為墩梁橫向側彎，但改造開挖后墩柱頻率均有所降低，主要是因為墩周河床開挖減小了樁基礎的地基約束。

表6 開挖前后1階模態

本橋抗震設防分類為B 類，抗震措施等級為二級。抗震設計方法選擇3 類。但此處開挖后按2 類進行E1地震作用下的抗震分析和抗震驗算。本橋為規則橋梁，以下按MM 反應譜方法進行分析。

⑴E1 地震作用下抗震分析與結構內力計算：本橋為B 類，I 類場地，橋梁抗震重要性系數Ci取0.43，場地系數Cs 取1.2。

E1 地震作用下，采用總體空間模型計算橋梁的地震反應。E1 地震作用下，8#墩樁基開挖后樁基縱橋向最大彎矩發生在距承臺底z=3.0m 處。最大內力：縱橋向，Mz，max=975.9kN·m、Nz，max=5693.6kN、Fmax=461.5kN；橫橋向，Mz，max=211.6kN·m、Nz，max=5693.6kN、Fmax=121.8kN。作用效應在縱橋向明顯大于橫橋向。因此，按縱橋向E1 地震作用下樁基內力控制驗算。

⑵E1 地震作用下樁基單樁豎向承載力及樁柱頂水平位移驗算。E1 地震作用下，最不利8#墩樁基最大反力為：P=7493.3kN＜γRRa=17184kN。單樁豎向承載力滿足要求。

E1 地震作用下最不利8#墩樁柱頂水平位移縱橋向8.29mm，橫橋向3.45mm，均有所增大，但未超限值。

⑶E1 地震作用下樁基強度驗算。E1 地震作用下樁基強度驗算結果見表7。可知，河床開挖后E1 地震作用下樁身強度仍滿足要求。

表7 開挖后E1地震作用下樁基截面強度驗算結果

5 結論

通過分析疏浚開挖對橋梁樁基的影響，得出以下結論：

⑴河道疏浚開挖致使基礎外露，由低樁承臺基礎變為高樁承臺基礎。單樁豎向承載力特征值相應降低，基底反力有所增加。但開挖部分的土層樁周摩阻力相對較小，對單樁豎向承載力特征值影響不大。附加彎矩作用地面線以下土層范圍內樁截面內力均顯著增大，但樁基強度仍滿足要求。

⑵河道疏浚開挖樁基外露導致基礎約束減弱，橋墩縱、橫向頻率均有所降低，對縱橋向動力特性影響較明顯。E1 地震作用下樁柱頂水平位移均有所增大，但樁基水平位移、單樁豎向承載力及樁身強度仍滿足要求。

⑶為避免橋位處因沖刷影響導致土體流失致使樁基進一步外露，影響橋梁運營安全，應對橋位處河床采取河床固化處理，對樁周采取防護措施。