基于大填方作用下某橋樁基承載力及路堤穩定性研究

李 平

（濱州公路工程有限公司，山東 濱州 256600）

0 引言

登汝高速公路下穿某橋第5、6孔，5號墩位于該高速路基中間，路基填筑量較大，極有可能導致樁周邊土層壓縮下沉量較大，對樁身產生不利的負摩阻力。為保證運營安全，本文對該橋梁樁基承載力及附近路堤工程穩定性進行研究，以便為后續處置提供依據。

1 工程概況

鄭州至登封快速通道改建工程全長73.616km，按一級公路兼具城市道路標準建設，設計速度為80km∕h，路線向西南而行，在火龍沽堆與規劃的登汝高速相交于某大橋。該橋屬于鄭州至登封快速通道改建工程的一座新建橋梁，橋梁中心樁號為K59+738，全長247m，橋面橫坡為雙向2%，縱斷面位于R=6653.979的豎曲線上。橋梁橫斷面為分離式雙幅，單幅橋面全寬15.98m，凈寬12.635m，橋寬組合為0.345m 防撞護欄+12.635m 行車道+3.0m 人行道。橋梁設計荷載等級為公路-I級；上部結構型式為兩聯4孔30m后張預應力混凝土小箱梁，先簡支后連續，單幅橫橋向布設5片小箱梁；下部結構采用柱式橋墩，肋板式橋臺，鉆孔灌注樁基礎；兩橋臺處采用80型伸縮縫，4號墩處采用160型伸縮縫；橋臺及4號橋墩采用GYZF4300×65型四氟滑板式橡膠支座，其余橋墩采用GYZ450×84型板式橡膠支座；本橋1、2、3、7號橋墩下部樁基為嵌巖樁，其余橋墩及橋臺樁基為摩擦樁。其中，登汝高速公路下穿該橋第5、6孔，5號墩位于該高速中間。登汝高速與鄭登快速通道王家窯大橋交叉，交叉樁號K1+689.347。大橋4#、5#、6#墩埋置填方路基內，登汝高速K1+500～K1+800段位填方路基，填方總量17.6萬m3。

2 橋位處土層力學參數

根據4#墩、5#墩、6#墩附近地質鉆孔資料，橋位以下樁基穿越的土層為粉質黏土、強風化砂巖、中風化砂巖、微風化砂巖，樁位附近鉆孔土層的試驗力學參數如表1所示。

表1 土層力學參數

3 橋梁樁基承載力驗算

3.1 恒載及車輛荷載

橋梁樁基主要承受上部結構、蓋梁、墩柱的自重恒載和汽車荷載、風荷載等荷載，并將荷載傳遞給地基。利用邁達斯Civil2019分別建立下部結構模型。

橋梁單幅橋面凈寬為12.635m，根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）按三車道加載，分別按照內側偏載、對稱布載、外側偏載布置，并考慮橫向折減及沖擊系數μ=0.183；設計人群荷載為3.0kN∕m2，人行道設計寬度為3.0m。

將在上部結構恒載及汽車荷載作用下，各梁底支座反力按實際位置作用于蓋梁，再與蓋梁及立柱自重作用下產生樁頂反力累加，最終得出恒載及活載作用下樁頂反力。通過對4#墩、5#墩、6#墩進行比較，選擇三者樁頂反力最大一根樁進行驗算，見表2。

表2 恒載及活載作用下6#墩各樁頂反力值

由表2計算結果可知，在恒載及活載作用下，內側偏載6-3#樁頂反力最大，R6-3=5486.7kN，因此6#墩選擇6-3#樁進行驗算對象。

3.2 汽車制動力

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）4.3.6條，汽車荷載產生的制動力標準值按加載長度上車道荷載的10%計算，且公路-Ⅰ級汽車荷載制動力標準值不得小于165kN，同向三車道為一個車道的2.34倍。

汽 車 制 動 力：FZ=10%×[(120×10.5)+360]=162kN ＜165kN，取單車道制動力為165kN，單向三車道制動力為2.34×165kN=386.1kN

進行各墩臺支座抗推剛度計算，第2聯橋梁各墩臺支座抗推剛度比及各墩制動力分配值如表3所示。

表3 第2聯墩臺制動力分配值

由表3 可知，第2 聯作用于6#墩頂汽車制動力FZ=102.81kN，作用于6-3#樁頂的汽車制動力102.81=34.27kN。

3.3 風荷載

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）4.3.7條，作用于蓋梁縱橋向迎風面的風荷載標注值按下式計算：

Fwh=k0k1k3WdAwh

式中：

k0——設計風速重現期系數；

k1——風載阻力系數；

k3——地形、地理條件系數；

Wd——設計基準風壓；

Awh——迎風面面積。

相關計算系數與參數均按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）取值。蓋梁迎風面面積計算如下：

Awh=31.56m2

則縱橋向作用于6#墩蓋梁上的風荷載標準值：

Fwh=0.9×1.00×1.00×0.86×31.56=24.42kN

則作用于6-3#樁頂的風荷載：

3.4 樁頂荷載組合

3.4.1 基本組合

按承載能力極限狀態設計，結構重要性系數取1.0，按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）4.1.6條進行荷載組合。

3.4.2 作用短期效應組合

按正常使用極限狀態設計作用短期效應組合，永久作用標準值效應與可變作用頻遇值效應組合。

3.5 單樁負摩阻力計算

當樁周土體因某種原因發生下沉，其沉降變形大于樁身的沉降變形時，在樁側表面的全部或一部分面積上將出現向下作用的摩阻力，稱為負摩阻力，如圖1所示。

圖1 樁的正、負摩阻力

負摩阻力不但不能成為樁承載力的一部分，反而變成施加在樁上的外荷載，對于入土深度相同的樁來講，若存在負摩阻力，則樁的外荷載將變大，樁的承載能力相對下降，樁基沉降加大。

樁的負摩阻力產生的主要原因有：（1）在樁附近地面大量堆載，引起地面沉降；（2）土層中抽取地下水或其他原因，地下水位下降，使土層產生自重固結下沉；（3）樁穿過欠壓密實土層（如填土）進入硬持力層面，土層產生自重固結下沉；（4）在黃土、凍土中的樁，因黃土濕陷、凍土融化產生下沉。

登汝高速公路下穿該橋第5、6孔，登汝高速路基設計標高為331.529m，而該橋5#墩樁頂設計標高為330.821m，在312.821～330.821m高度范圍內為深溝，在修筑登汝高速路基過程中，施工單位對該高度范圍的深溝進行填筑，填料總厚度合計為21.3m，其中灰土2m，約占填料總厚度的9%；素土5.6m，約占填料總厚度的26%；碎石10.5m，約占填料總厚度的49%；卵石土3.2m，約占填料總厚度的15%。按照《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG D63-2007）5.3.2節的方法計算5#墩的單樁負摩阻力，計算公式如下：

假定樁周沉降變形土層厚度為填料厚度，根據持力層性質，中性點的深度系數λ建議取為0.9，但考慮到底層灰土處理等因素影響，中性點的深度系數λ取為0.7，則中性點深度h=0.7×21.3=14.9m。負摩阻力系數β值為安全起見，取類似土的相對較大值：灰土、素土取0.3；卵石土取0.4；碎石取0.5。可求得6#墩單樁摩阻力為：

3.6 樁側土壓力計算

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）4.2.3-10條規定，作用在樁柱上的土壓力計算寬度為：

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）4.3.4-1條規定，汽車荷載引起的土壓力采用車輛荷載加載，可按下式換算成等代均布土層厚度h（m）計算：

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）4.2.3條相關規定，壓實填土重力的豎向和水平壓力強度標準值可按下式計算：

土的重度、內摩擦角等按照相應各層填土厚度的加權 平 均 進 行 計 算，γm=21.7kN∕m3，φm=30.76°，λ=，偏安全考慮，取側壓系數為0.5。

根據均布條形荷載作用下土中應力計算方法、三角形分布條形荷載作用下土中應力計算方法等進行簡化計算：P1=2.37kPa、P2=50.23kPa、P3=54.67kPa、P4=44.79kPa。考慮樁側土彈簧系數，利用MIDAS Civil建立模型進行樁身受力分析（見圖2）。其中6-3#樁頂水平荷載設計值Fh=40.13kN，豎向荷載設計值Fv=5547.86kN，樁頂彎矩設計值Md=513.66kN.m。當考慮負摩阻力影響時，6-3#樁底總荷載為5547.86kN，大于單樁承載力5132.1kN。

圖2 樁側土壓力分布圖

4 路堤穩定性驗算

登汝高速與鄭登快速通道王家窯大橋交叉，交叉樁號K1+689.347，交叉角度135°。王家窯大橋4#、5#、6#墩埋置填方路基內，登汝高速K1+500～K1+800段為填方路基，填方總量17.6萬m3。根據施工單位提供資料，填料總厚度合計為21.3m，其中灰土2m，約占填料總厚度9%；素土5.6m，約占填料總厚度26%；碎石10.5m，約占填料總厚度49%；卵石土3.2m，約占填料總厚度15%。

因路堤穩定性分析的既有路堤碎石、卵石土等強度參數試驗難以實施，本次驗算取用強度參數參考規范文獻等資料并結合咨詢省內部分專家的意見確定。通過理正軟件進行計算，路堤穩定性滿足要求。

5 結束語

（1）在設計荷載下，按設計圖紙和地勘資料提供的地質等參數，該大橋按實際施工順序，考慮負摩阻影響時，6#墩豎向承載力不滿足設計要求，比設計值低8.1%。

（2）鑒于近期該橋已進行試運營通車，考慮到通車后重載及交通量較大等情況，為保證橋梁運營安全，建議盡快委托具有相關資質的單位對橋墩沉降、橋墩水平位移、墩址填土路堤地表和深部變形進行連續跟蹤監測，若有安全隱患，及時采取交通管制等措施保障運營安全。

（3）依據參考規范文獻等資料并結合咨詢省內部分專家確定取用的強度參數，路堤穩定性驗算結果為路堤處于穩定狀態。結合現場考察，建議該橋及時設置安裝排水管，防止泄水孔處漏水沖刷路堤形成沖溝；并建議做好填土路堤排水工程，加強填土路堤巡視檢查，觀察邊坡及周邊情況，地表及邊坡是否有新的裂縫產生，已有裂縫的變化情況，邊坡是否有土體坍塌，并按相關要求詳細記錄時間、地點、規模等內容。