沖刷對預應力混凝土連續(xù)剛構橋樁承載力的影響研究

趙永亮

(中鐵十六局集團第五工程有限公司 唐山市 064000)

0 引言

沖刷是導致橋梁破壞的主要原因之一。在國內，60%以上的橋梁破壞是由沖刷引起的。沖刷對橋梁基礎和整個橋梁結構造成了復雜的影響。由于沖刷清除材料，樁基礎的承載能力大大降低，影響整個橋梁系統(tǒng)的能力和穩(wěn)定性[1]。

大多數(shù)研究都是分別研究下部結構和上部結構。在少數(shù)情況下，沖刷的影響完全用橋梁結構進行分析。橋梁沖刷行為分析是一個非常復雜的研究課題，這也是為什么大多數(shù)研究者研究沖刷對下部結構的影響，進而預測沖刷對上部結構的影響。關于沖刷對下部結構的影響，國內外已有大量研究工作。主要研究了樁的承載能力、屈曲風險和由于沖刷作用而增加的水位對樁的附加力矩[2-3]。

就沖刷對樁承載力的影響進行研究。研究地區(qū)的橋梁都以摩擦樁為基礎。建造這些樁的土壤剖面通常是河流沉積物、濕地和沼澤地。由于該地區(qū)的土壤剖面相似，因此進行了案例研究。在本案例研究中，為了分析損失承載能力，選擇了無墊橋。這座橋建于1979年，地基是摩擦樁。根據(jù)之前的研究，其32個樁排架中有19個存在嚴重的沖刷問題。這些樁上的沖刷高度從0.5～4.5m不等。主管部門必須確定哪些橋梁存在嚴重沖刷問題。本研究旨在向有關部門提供沖刷深度對樁承載力的影響。

1 橋梁概況

某預應力混凝土連續(xù)剛構橋位于寧夏回族自治區(qū)銀川市，如圖1所示。這座橋兼用兩條汽車車道和一條火車道。大橋共33跨，全長787m，共有32個橋墩和2個橋臺。所有橋墩固定在樁帽上。30個相同的群樁，28根樁，直徑30cm，其中18個樁長12m，10個樁長10m，橋墩1～30。兩組樁共8根，樁徑100cm，樁長12m，橋墩31～32，如圖2所示。橋梁上部結構由兩部分組成，一部分是汽車，一部分是火車。汽車部件由四個相同的T形、銷支撐的鋼筋混凝土梁組成。四根鋼筋混凝土軌道梁由四根鋼筋混凝土簡支而成。

圖1 預應力混凝土連續(xù)剛構橋及其位置

圖2 樁帽平面圖

地基土剖面由四層組成。第一層是1.5m有機土，沒有任何承載能力，并且在技術報告中規(guī)定不應該在這個層上設置地基。第二層為3.5m低密砂礫石，單位重量γ=18.2kN/m3，內摩擦角Φ=30°。樁帽放在這一層上。第三層為6.0m中密砂礫石，單位重量γ=19.1kN/m3，內摩擦角Φ=32°。第四層為10.0m以上高密砂礫石，單位重量γ=20.6kN/m3，內摩擦角Φ=35°。樁端設置在該層上。該橋的基礎輪廓如圖3所示。

圖3 群樁土質剖面及評分圖

2 分析方法

在樁的設計和分析中，根據(jù)周圍土壤提供的支撐性質來識別樁，即將樁分為端承樁和摩擦樁。當端承樁將其大部分荷載轉移到端承層時，摩擦樁通過沿樁表面產生的表面摩擦來抵抗其大部分荷載。摩擦樁的工作性狀主要取決于周圍土體與樁身的相互作用。

樁的極限軸向承載力(Qu)由樁端承載力(Qt)和樁身摩阻力(Qs)組成。文獻中描述的一般方程如等式(1)所示。

Qu=Qt+Qs=qtAt+fAs

(1)

式中，qt為單位樁端承載力，At為樁端面積，f為單位表面摩擦力，As為樁身面積。根據(jù)土壤是松散砂、密實砂、正常固結粘土或超固結粘土，有一些公布的關系式取決于計算樁極限軸向承載力的土壤工程值，設置預應力混凝土連續(xù)剛構橋樁的土壤剖面為顆粒狀無粘性土。無粘性土的單位表面摩擦阻力采用β方法計算。該方法是基于土的側壓力系數(shù)。單位表面摩擦f由式(2)給出。

(2)

(3)

在土體中，有效應力等于飽和土中總法向應力與水壓力之差，等式(4)給出了這種關系。

(4)

式中，γ是土壤密度，γwater是水密度，簡單計算時取10kN/m3，h是從測量點到地面的土壤高度。

3 結果分析

圖4 有效土壓力分布

表值和臨界深度

根據(jù)式(1)、式(2)、式(3)和圖4所示結果，計算單樁和群樁的承載力。樁基礎由樁組構成，對于樁間距大于6倍樁直徑，群樁承載力沒有任何影響。設置在顆粒土上的樁(主要位于砂土上)在樁間距小于3倍樁直徑時群樁承載力會受到影響，當樁間距從3倍樁直徑變?yōu)?倍樁直徑時，這種效應迅速減小，如果樁間距大于4倍樁直徑，則群樁承載力不會受影響。在案例研究中，樁的距離為3～5倍樁直徑，因此不存在任何影響。群樁極限承載力是單樁的總和。

群樁承載力數(shù)值見表2。以0沖刷為參考點計算松散承載力。表2所示承載力以kN為單位計算：承載力(0m沖刷)-承載力(點沖刷)。

表2 群樁極限承載力與承載力松動

表2顯示，28根直徑為30cm的樁，其中18根為12m，10根為10m，總荷載為6101kN。圖5(a)以圖形方式顯示了承載力如何隨樁深進行變化。在10m水平上，曲線有偏移，即水平線為10根樁的端承力。直徑為30cm的樁有兩個不同的深度，這就是為什么圖5(a)中的圖形有兩條水平線。10m處的水平線如上所述，12m處的水平線為其余18根樁的端部承載力。這些群樁的承載力從0m沖刷處的6101kN到?jīng)_刷4.5m處的5025kN不等。在沖刷深度4.5m處，群樁承載力降低約17.64%。

圖5(b)以圖形方式顯示了直徑為100cm的群樁的承載力如何隨樁深變化。這些群樁的數(shù)值見表2。在12m深度處，圖5(b)中有一條水平線，顯示了群樁的端部承載力。直徑100cm的群樁由8根相同的12m長樁組成。沖刷樁承載力從18322kN到9513kN不等。群樁承載力降低約48.08%。

圖5 群樁承載力

4 結論

介紹了沖刷對預應力混凝土連續(xù)剛構橋樁承載力的影響。利用巖土工程資料對樁單元進行了分析，研究了不同沖刷深度對樁承載力的影響。預應力混凝土連續(xù)剛構橋沖刷深度在0.5～4.5m之間，30cm直徑樁的最大沖刷深度為4.5m，在該深度下承載力松散約17.64%。直徑為100cm的樁的最大沖刷深度為3.0m，對于該刻痕深度，承載力松散約為32.11%。雖然土力學中的安全系數(shù)在2.5到3之間變化，但承載能力的降低是相當大的。樁的承載力直接影響到整個橋梁結構的安全。由于水壓的增加，這種承載力的松動是橋墩沉降或傾覆的嚴重風險。建議對這些影響進行進一步的撓度和橋梁承載力研究。