不平衡堆載對鄰近橋梁樁基的影響分析

段書龍, 孟凡光

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司;公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088；2.單縣城市園林綠化服務中心， 山東 單縣 274300)

0 引 言

在建和已建成橋梁工程中,已經施工完成的樁基礎經常遇到不平衡堆載(單側堆載)問題。這種荷載一般來自橋梁鄰近道路或下穿道路施工,長期堆放較重物品,均會引起樁基周邊土層的沉降,導致樁基產生負摩阻力,而且土層產生的土體側向土壓力會對樁基產生水平推力,引起的土體側向位移,樁基在軟土中效應更加明顯。在建或者運營中的橋梁樁基,在鄰近出現不平衡堆載時,應結合堆載情況對橋梁樁基進行安全評估,避免對橋梁結構造成結構性損傷。目前國內因此原因引起的工程事故較多,如:上海某工業廠房因不平衡堆載造成廠房坍塌事故[1]、連云港某高速互通立交橋下穿道路路基堆載施工,造成上跨橋橋墩偏移[2]等,目前城市道路和國家路網建設日益增多,道路下穿和互通立交等道路修建會對現有橋梁造成不利影響。因此總結一套合適的計算方法和計算公式,通過合理的保護方案和應對措施,對確保工程結構安全和推進該類工程建設有較大意義。

在國家水利工程引江濟淮項目中,涉及上跨橋梁較多,某上跨橋梁上部結構采用(72+120+72)m變截面預應力混凝土連續梁,下部主墩采用空心薄壁墩,下接承臺和群樁基礎，如圖1所示。橋梁邊跨下規劃河道堤頂道路。因雨季影響,本應先施工的大堤和堤頂道路滯后,造成橋梁施工在前。

圖1 橋梁布置及筑堤分布圖

施工大堤堤角位于主墩承臺邊緣,大堤高出承臺頂7.785 m,堤頂道路寬6.0 m,邊坡按照1∶3放坡,橋墩處頂層土層為厚度16.3 m粉質黏土,長時間處于河水浸泡中,土質軟化易變形,加速了樁基位移的發展。因此該處大堤填筑和堤頂道路施工,對鄰近橋梁樁基產生較大影響,如圖2所示，需要進行安全評估。

圖2 不平衡堆載對相鄰樁基影響

1 計算方法

在不平衡堆載作用下,樁發生變形,擠壓樁后土體,并對樁施加被動抗力作用,樁的受力如圖3a所示,假定背荷側土體為Winkler彈性地基[3],土體等效為連續分布的彈簧,如圖3b所示。

圖3 堆載鄰近樁基受力示意圖和彈性地基梁模型

在地面沒有經過加固處理的情況下,堆載屬于柔性堆載,對地基施加的荷載約等于堆載自重。本項目不平衡堆載形狀為梯形,如圖4所示。地基內任一點的內力可用基于彈性理論的Boussinesq解的積分形式[4]求得,水平向附加應力見下式。因上述梯形荷載引起土中附加應力時,未考慮大橋樁基的存在,其計算的側向推力與實際存在差異,根據理論及有關研究成果可得[5],此時橋梁樁基受到的側壓力可近似為Boussinesq應力解的兩倍。

圖4 梯形荷載作用示意圖

以基底寬度中心為原點,設堆載寬度為2b,堆載坡面橫向寬度為a,則可求得地基任一點的側壓力:

式中:p(z)為堆載引起的側壓力;σx為水平應力;F為堆載水平力;F=γH,γ為材料重度,H為堆載高度。

2 結構計算和分析

模型中地基反力系數的比例系數m根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG 3363-2019)規定和相關工程經驗選取,使樁與土之間的相互作用等效為連續分布的彈簧,從而建立有限元模型。在筑堤道路施工前,橋梁樁基已經施工完成,是否需要施工承臺采用有限元進行模擬計算,對比兩種工況下的樁基受力狀態。

從圖5、圖6可以看出,在承臺施工之前,僅鄰近填筑路堤的一排樁基受水平力作用,發生側向位移,最大位移位于樁基頂部為4.62 m;施工承臺后,發揮群樁效應,所有樁基共同受力,鄰近填筑路堤的一排樁基受水平力作用最大,最大位移位于樁頂下約4 m處,最大位移0.94 m。

圖5 無承臺樁基位移(單位：mm)

圖6 有承臺樁基位移(單位：mm)

通過計算兩種工況下,內力和變形對比見表1。

表1 樁基受力對比表

結合樁基受力狀態和變形情況,建議路堤施工完成后澆筑承臺混凝土,并在施工過程中進行變形監測。通過后續施工及監測,現場實測數據基本與計算吻合。

3 結 論

本文結合工程實際對橋梁附近不平衡堆載作用下,樁基受力進行分析計算,根據路堤堆筑特點和土層特性采用彈性地基梁法對橋梁樁基受力影響模擬分析是可行的。在工程地質較差,尤其存在軟土層的情況下,應避免在橋梁附件實施不平衡堆載。如避免不了,建議對結構進行安全評估,根據需要可采取防護樁和改變施工順序等措施減小對橋梁結構的損傷。