咬合樁加固橋梁病害基礎效果及應用分析

■尚文杰

（新疆交通規劃勘察設計研究院有限公司，烏魯木齊 830000）

水中橋墩由于常年承受水流沖刷的作用，需要定期進行維修加固，以消除橋梁基礎病害帶來的安全影響。 咬合樁作為一種成熟的支護圍擋結構，在深基坑圍護結構當中得到了廣泛應用，也有學者提出將其應用到橋梁墩體加固之中[1-3]。 魯昭[4]以某橋梁基礎加固為研究對象， 采用咬合樁加固方法，重點介紹了鋼筋混凝土咬合樁設計特點和相關施工工藝。 王軍生[5]以某鐵路工程既有橋梁加固防護設計為研究對象，通過現場試驗證明了該加固方法的有效性。 趙暉等[6]通過介紹鉆孔咬合樁和人工挖孔咬合樁兩種圍護結構咬合樁施工技術，從施工技術、結構型式和應用特點等方面進行了詳細說明，并將二者在工程中進行了應用分析。 本文以某橋梁病害墩體基礎加固為研究對象，采用數值模擬方法對咬合樁加固橋墩和橋梁擴大基礎效果進行了分析，研究結果可為類似工程設計和施工提供參考。

1 工程概況

某鋼混拱橋工程，全長645.6 m，3～6#橋墩處于水中，因建設年代久遠，橋梁4# 墩基及其擴大基礎常年受河水沖刷腐蝕嚴重，擬采取咬合樁進行橋梁擴大基礎加固。 根據地勘資料，4# 橋墩位置處土層從上至下依次為卵石層、細砂層和粉砂巖，卵石層和細砂層厚度依次為5.6 m 和5.3 m，其中粉砂層作為持力層。 如圖1 所示，咬合樁分為I 類樁和II 類樁，長度均為12 m，直徑均為1 m，最大咬合寬度為0.2 m，橋墩擴大基礎由兩部分組成，上、下尺寸分別為5.8 m×12.8 m×1.5 m 和6.8 m×13.4 m×1.5 m。

2 有限元模型建立

2.1 模型建立

采用PLAXIS 軟件進行土體和橋墩結構建模分析，如圖2 所示，土體模型尺寸為：長60 m、寬60 m和高28 m。 橋墩和擴大基礎模型采用實體單元建立，咬合樁采用板單元建立，咬合樁長度均為12 m，直徑均為1 m，最大咬合寬度為0.2 m，為了簡化計算，將咬合樁按照等效剛度原理轉換成0.89 m 厚的地下連續墻進行分析計算。 咬合樁I 類樁和II 類樁均采用C30 混凝土，橋墩和擴大基礎采用C40 混凝土，計算時在橋墩上方施加均布荷載來模擬橋梁上部結構的荷載影響。

2.2 參數賦值

表1 和表2 分別給出了土體和混凝土的物理力學參數。

表2 混凝土相關力學參數

2.3 模擬流程

本文模擬過程中，共分為6 個階段，每個階段對應的模擬內容如圖3 所示。 其中第3～5 階段為咬合樁加固橋梁模擬階段，第6 階段為考慮最不利情況下的模擬階段，即粉砂巖以上土體被完全沖刷掏空。

圖3 模擬施工流程圖

3 咬合樁加固橋梁基礎分析

3.1 不同施工階段的咬合樁位移分析

對咬合樁施工過程中的位移進行分析，不同施工階段咬合樁沿樁身的最大變形曲線如圖4 所示。由圖4 可知，在施工階段3，此時咬合樁不受水平力的影響，因此樁身水平位移基本為0 mm；在施工階段4，咬合樁承受土壓力的影響，從樁底至樁頂位移不斷增大，基本呈現出線性增大的趨勢，在樁頂處最大水平位移為1.86 mm；在施工階段5，咬合樁沿樁身水平位移曲線相對于施工階段4 基本沒有發生變化。 在施工階段6，即考慮最不利工況時，咬合樁水平位移迅速增大，在樁頂水平位移達到最大值7.42 mm。 根據JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》規定，樁頂水平位移允許值為10 mm，因此，在考慮最不利工況下的咬合樁水平位移小于規范允許值。

圖4 不同施工階段咬合樁變形曲線圖

3.2 咬合樁內力分析

對咬合樁內力是否滿足要求進行分析，施工階段6（即最不利工況下）咬合樁等效連續墻沿咬合樁長度方向彎矩變化曲線如圖5 所示。 由圖5 可知，從樁底到樁頂彎矩先增大后減小， 在距離樁頂7.65 m位置處咬合樁彎矩最大，彎矩最大值為526.84 kN·m。

圖5 沿咬合樁長度方向彎矩變化圖

按照文獻[4]中算法理論，對咬合樁彎矩標準值進行計算， 計算得到I 類樁和II 類樁的彎矩標準值，如式（1）和式（2）所示。

式中：M1和M2分別為咬合樁圍護結構中I 類樁和II 類樁的彎矩標準值，單位是kN·m；M 為咬合樁換算為圍護結構墻體每延米的墻身彎矩標準值，單位是kN·m/m；r1和r2分別為咬合樁圍護結構中I類樁和II 類樁的樁身半徑， 取0.5 m；n 表示I 類樁和II 類樁對x 軸慣性矩比值，即n=I1/I2；a 為I 類樁和II 類樁截面最大咬合寬度，取0.2 m。

根據GB50010-2019《混凝土結構設計規范》，計算圓形截面鋼筋混凝土抗彎承載力按照式（3）和（4）進行計算。

式中： fy為鋼筋抗拉強度設計值； fc為混凝土軸心抗壓強度設計值；A 為構件截面面積；α 為圓形截面受壓部分圓心角與2π 之間的比值。

該工程中咬合樁鋼筋規格為HRB400， 結合混凝土參數計算得到咬合樁的抗彎容許值，如表3所示。

表3 咬合樁彎矩計算

同理，采用模擬的方法計算得到咬合樁等效連續墻最大剪力值為560.8 kN，按照文獻[4]中算法理論，對咬合樁剪力標準值進行計算，計算得到I 類樁和II 類樁的剪力標準值，如式（5）和式（6）所示。

式中：V1和V2分別為咬合樁圍護結構中I 類樁和II 類樁的剪力標準值，單位是kN·m；V 為咬合樁換算為圍護結構墻體每延米的墻身剪力標準值，單位是kN·m/m；A1和A2分別為咬合樁圍護結構中I 類樁和II 類樁的截面積，單位是m2。

表4 給出了咬合樁剪力計算表，綜合表3 和表4可知， 計算得到的咬合樁抗彎和抗剪安全系數均大于2，說明咬合樁結構的抗彎和抗剪能力均能滿足規范要求。

表4 咬合樁剪力計算

3.3 不同施工階段的橋梁擴大基礎沉降分析

對咬合樁加固橋梁施工過程中橋梁擴大基礎沉降進行分析，咬合樁不同施工階段橋梁擴大基礎沉降曲線如圖6 所示。 由圖6 可知，施工階段3 時橋梁擴大基礎沉降值最小，為1.86 mm；施工階段4和施工階段5 時的橋梁擴大基礎沉降值基本相同，分別為7.02 mm 和7.03 mm； 施工階段6 時的橋梁擴大基礎沉降值最大，值為10.74 mm。綜上可知，在咬合樁整個施工過程中，僅引起橋梁擴大基礎發生7.03 mm 的沉降， 且當考慮最不利情況時的橋梁擴大基礎沉降值也不超過11 mm，說明咬合樁施工對既有橋梁墩基整體擾動影響較小。

圖6 不同施工階段時橋梁擴大基礎沉降

4 結論

本文以某橋梁病害墩體基礎加固為研究對象，采用數值模擬方法對咬合樁加固橋墩和橋梁擴大基礎效果進行了分析，得到以下結論：

（1）咬合樁施工完成后，從樁底至樁頂位移基本呈現出線性增大的趨勢，在樁頂處最大水平位移為1.86 mm；考慮最不利工況時，咬合樁樁頂水平位移最大值為7.42 mm，滿足規范允許值要求。

（2）最不利工況下的咬合樁等效連續墻彎矩從樁底到樁頂先增大后減小，在距離樁頂7.65 m 位置處咬合樁彎矩最大，彎矩最大值為526.84 kN·m。按照GB50010-2019《混凝土結構設計規范》計算得到的最不利工況下的咬合樁抗彎和抗剪安全系數均大于2，說明咬合樁結構的抗彎和抗剪能力均能滿足規范要求。

（3）在咬合樁整個施工過程中，引起橋梁擴大基礎發生7.03 mm 的沉降，且當考慮最不利情況時的橋梁擴大基礎沉降值也不超過11 mm，說明了咬合樁施工對既有橋梁墩基整體擾動影響較小。