軟土區高架橋下道路施工期對樁基影響分析

鄒永誠，羅斌，張亞磊，向敏

（1.臺州市城鄉規劃設計研究院有限公司，浙江 臺州 318002；2.石家莊鐵道大學，河北 石家莊 050043）

0 引 言

近年來，我國高速公路的建設規模不斷擴大，高架橋作為高速公路的重要組成部分，可有效降低不良地質的影響。東南沿海地區軟土范圍較大，主要為海相沉積軟土，厚度最大可達數十米。軟土的工程性質較差，具有含水量高、承載力低、壓縮量大等特點，超長樁基礎成為該地區橋梁基礎的主要形式。

除了在高架橋施工過程中，樁基的受力特性會發生顯著的變化，橋下軟土路基施工過程中的地面荷載會使樁側土體發生固結沉降，樁身上部將產生樁側負摩阻力。負摩阻力會對樁身產生的下拉力，可使樁身軸力、樁基沉降增大，嚴重時甚至可導致樁身破壞以及橋梁上部結構的不均勻沉降。

本文針對深淤軟土區高架橋超長樁基的受力特性問題，以浙江沿海高速公路甬莞高速翁垟高架橋及其橋下道路為背景，選取9#墩群樁基礎為研究對象，在試驗樁的樁身中嵌入傳感器，監測高架橋和橋下道路施工期間樁基的受力變化；建立9#墩群樁基礎Midas GTS/NX有限元模型，將數值模擬結果與現場試驗監測值進行對比。

1 工程概況

1.1 高架橋及橋下道路

浙江甬莞高速的某高架橋雙向六車道；橋下道路為雙向四車道的城市次干路與高架橋并線布置，如圖1所示。

圖1 高架橋及橋下道路橫斷面

高架橋9#墩試驗樁里程為K266+655.83，上部結構連續梁采用預應力混凝土組合箱梁，其下部結構采用的是花瓶型雙柱式墩接預應力混凝土大蓋梁的形式，下部基礎采用6根直徑1.6 m的樁基礎，采用2排3列布置，樁長為73 m，本次研究對高架橋9#墩處樁基礎進行施工期的受力檢測及數據分析。

1.2 巖土工程地質特征

根據地質勘探報告，樁基土體的上部淤泥軟土層厚度可達60 m左右，下部為強風化和中風化晶屑凝灰巖。樁基巖土的特征按深度列于表1。

表1 墩樁基巖土特征

2 施工期樁基受力監測與試驗數據分析

2.1 試驗樁的選取

群樁基礎的基樁為6根，鉆孔灌注樁設計樁長73 m，樁徑1.6 m，嵌巖深度5.7 m。矩形承臺底位于地面以下1.6 m，橫橋向寬度為10.9 m，縱橋向寬度為6.8 m，厚度2.5 m。試驗樁a位置如圖2所示。

圖2 試驗樁位置（cm）

2.2 嵌設鋼筋應力傳感器

在鉆孔灌注樁施工過程中，在基樁a鋼筋籠主筋上每隔2 m對稱嵌設4個鋼筋應力傳感器，并將傳感器導線引出地面，如圖3所示。

圖3 主筋靠焊應力傳感器

2.3 軸力計算

鋼筋應力傳感器的頻率與應變之間的關系可表示為：

式中，為傳感器頻率讀數；為系數，其值為0.000 711 86。

根據同一截面中樁身主筋應變與混凝土應變相同的假定，通過從鋼筋應力傳感器讀取的應力或頻率，計算得到樁身主筋的應變，即得到該樁身混凝土截面的應變，從而可計算樁身截面的軸力。樁身截面的軸力為該截面主筋軸力與混凝土軸力之和：

由應力、應變關系可得：

式中，P為截面樁身軸力；P為截面鋼筋軸力；A為截面鋼筋截面積；A為樁身截面積；E為混凝土彈性模量，取30 GPa；E為鋼筋彈性模量，取200 GPa。

2.4 試驗數據分析

2.4.1 樁身軸力

整理試驗數據，在高架橋及橋下道路的各施工階段，群樁中試驗樁a樁身軸力沿樁長的分布如圖4所示（圖中：A～D表示高架橋施工階段，分別為承臺施工、墩身施工、蓋梁施工、架梁施工，E～G表示橋下道路施工階段，分別為墊層施工、填土施工、路基施工）。

圖4 不同施工階段各試驗樁的樁身軸力分布

由圖4可知，高架橋施工階段，試驗樁樁身軸力在持力層上部沿樁長方向逐漸增大，在持力層中沿樁長方向逐漸減小，這是由于持力層上部的樁側正摩阻力小于樁身重力增量，而在持力層樁側正摩阻力較大。在高架橋施工階段，由于樁頂荷載的增加，同一截面樁身軸力均逐漸增大，承臺、墩身、蓋梁、箱梁各階段施工完畢后，樁身最大軸力分別為2 988 kN、3 345 kN、3 835 kN、4 884 kN。由于箱梁自重較大，架梁施工完畢時樁身軸力增幅最大。

橋下道路施工階段，在承臺荷載無變化情況下，樁身軸力沿樁長方向先增大后減小，證明樁身上部出現了樁側負摩阻力。隨著橋下道路施工的進行，同一截面的樁身軸力逐漸增大，其中樁身上部及底部軸力增幅較小，樁身中部軸力增幅較大。墊層、填土、路基各階段施工完畢后，樁身最大軸力分別為5 317 kN、5 750 kN、6 424 kN，并且隨著橋下道路施工的進行，樁身最大軸力位置逐漸加深。

2.4.2 樁側摩阻力

在高架橋及橋下道路的各施工階段，群樁中試驗樁a樁側摩阻力沿樁長的分布如圖5所示。

圖5 不同施工階段各試驗樁的樁側摩阻力分布

由圖5可知，在高架橋施工階段，承臺荷載逐漸增大，使得樁身沉降大于樁周土體的沉降量，樁側摩阻力為正值，并且各試驗樁的樁側正摩阻力沿樁長逐漸增大，在持力層中正摩阻力急劇增長，達到最大值。高架橋施工完畢后，樁側摩阻力最大值分別為50.4 kPa。路基施工完畢后，角樁的樁側最大負摩阻力為-12.8 kPa。

3 施工期樁基Midas GTS/NX數值模擬

3.1 Midas GTS/NX數值模型

本文選取Hardening Soil土體本構模型來模擬土體行為，采用線彈性本構模型來模擬樁基，以界面單元來模擬樁-土之間的相互作用，考慮樁-土接觸面參數。土體和樁基均采用實體單元來模擬，建立群樁基礎及其橋下道路的PLAXIS 3D有限元數值模型，計算模型橫橋向X方向取80 m，順橋向Y方向長度為40 m，樁底持力層較好，Z方向取100 m。承臺兩側為橋下道路，墊層和填土的厚度均為0.5 m，路基厚度為0.55 m，路堤按照1：1.5放坡。

3.2 施工期樁基數值模擬分析

3.2.1 樁身軸力分析

高架橋及橋下道路施工期，群樁中各樁的樁身軸力沿樁長的分布如圖6所示（圖中：A～E表示基樁施工、承臺施工、墩身施工、蓋梁施工、架梁施工，F～H表示橋下道路施工階段，分別為墊層施工、填土施工、路基施工）。

圖6 數值模擬不同施工階段各樁的樁身軸力分布

由圖6可知，在各施工階段，群樁中各樁的樁身軸力沿樁長方向先增大后減小。在高架橋施工階段，隨著承臺荷載的增大，各樁的樁頂軸力逐漸增大；在橋下道路施工階段，承臺荷載無變化，樁頂軸力基本無變化，但由于樁身上部出現負摩阻力，樁身軸力沿樁長方向增長較為明顯。

3.2.2 樁側摩阻力分析

在高架橋及橋下道路施工期，9#墩群樁中各樁的樁側摩阻力沿樁長的分布如圖7所示。

圖7 數值模擬不同施工階段各樁的樁側摩阻力分布

由圖7可知，在高架橋施工階段，各樁的樁側均為正摩阻力，沿樁長逐漸增大并在持力層中急劇增大；在橋下道路施工階段，樁身中上部開始出現負摩阻力，負摩阻力沿樁長先增大后減小，中性點位置也逐漸下降。

4 施工期樁基現場試驗監測值與數值模擬結果的對比分析

橋下道路的路基施工完畢后，現場試驗監測的各樁軸力值與數值模擬值沿樁長的分布情況基本相同，均為沿樁長方向先增大后減小，證明本文的數值模型較為合理；數值模擬的樁身軸力值小于現場監測試驗值，可能的原因是現場實際情況復雜，如地面的臨時土體堆載等會使樁側摩阻力增大，導致樁身軸力增大。

路基施工完畢后，現場試驗和數值模擬得到的樁身最大軸力及負摩阻力產生的下拉力見表2。

表2 現場試驗數據與數值模擬值對比

由表1可知，試驗樁樁身最大軸力及下拉力的現場試驗值均大于數值模擬值。樁基a現場試驗的最大軸力及下拉力分別比數值模擬值大4.3%、29.1%。

除了地面臨時土體堆載導致兩者計算結果有所差異，可能原因還有：數值模型中假定同一土層中摩阻力均勻變化，而實際上摩阻力變化較為復雜；現場試驗條件比較復雜，如雨水沖刷等會使土體沉降固結增大，導致樁的負摩阻力、軸力增大。

5 結 論

在高架橋及橋下道路施工期，樁身軸力沿樁長方向均為先增大后減小；隨著高架橋施工的進行，樁身軸力逐漸增大，其中架梁施工完成時樁身軸力增大最為明顯。

在橋下道路施工期，各樁的樁身上部開始出現負摩阻力，負摩阻力沿樁長先增大后減小，由于負摩阻力的下拉作用，樁身中部的軸力明顯增大。

樁現場試驗的軸力值與數值模擬值沿樁長的分布情況基本吻合，數值模型較為合理；受各種因素影響，各樁的樁身最大軸力及下拉力的現場試驗值均大于數值模擬值。