楊水生

（衡水市交通運(yùn)輸局公路管理處，河北 衡水 053000）

0 引言

塔頭大橋位于武邑—千童鎮(zhèn)公路武邑與阜城交界的清涼江上，該橋建于1999年，為12—20m預(yù)應(yīng)力空心板橋，全長(zhǎng)244.04m，橋面寬度為凈11.4m＋2×0.3m，荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽—20、掛—100，下部為樁基。

該橋投入運(yùn)營(yíng)不久，發(fā)現(xiàn)西起第三排蓋梁及墩柱出現(xiàn)裂縫。在南側(cè)柱與中柱之間，其蓋梁存在底部受拉開(kāi)裂裂縫2條，其中主要裂縫距1號(hào)柱1m左右，沿底面通裂，開(kāi)裂高度由底面起沿截面高達(dá)60cm，寬度最大達(dá)0.52mm。北側(cè)柱正上方的蓋梁存在上部受拉裂縫4條，其中主要裂縫由上向下開(kāi)裂長(zhǎng)度達(dá)94cm，占整個(gè)截面高的78%，寬度達(dá)0.56mm。在3根柱的柱身北側(cè)均出現(xiàn)多條受拉裂縫，最大開(kāi)裂深度接近柱直徑的50%，寬度達(dá)0.46mm。上述現(xiàn)象已嚴(yán)重影響橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。

為研究該橋出現(xiàn)上述破壞現(xiàn)象的原因，并為進(jìn)一步加固施工提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)該橋進(jìn)行了靜動(dòng)荷載試驗(yàn)與數(shù)值分析，研究了蓋梁與墩柱在荷載作用下的受力特征、蓋梁與墩柱結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力學(xué)特征、基樁在荷載作用下的沉降特征、樁周土剪切波速及蓋梁與墩柱裂縫的開(kāi)裂特征。

1 試驗(yàn)設(shè)置

為檢測(cè)基樁在荷載作用下的沉降情況，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試支架采用6m長(zhǎng)的鋼軌搭設(shè)位移計(jì)支架。測(cè)試支架應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，其支點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離樁位以減少樁周土沉降帶來(lái)的測(cè)試誤差。靜載試驗(yàn)前，采用米尺在橋面上對(duì)加載位置進(jìn)行放樣，以便于加載試驗(yàn)的順利進(jìn)行。卸載車輛的停放位置以不影響加載點(diǎn)的受力為原則。

最大荷載控制在4×35t汽車的分布荷載，即140t分布荷載。為了加載安全和了解結(jié)構(gòu)位移隨荷載增加的變化關(guān)系，分級(jí)進(jìn)行荷載試驗(yàn)各荷載工況的加載。加載分2個(gè)工況，分別為在1號(hào)柱與2號(hào)柱上方的橋面進(jìn)行汽車加載。本次采用汽車加載，共使用4部加載車，每部加載車重35t。對(duì)加載汽車逐軸開(kāi)上稱重臺(tái)進(jìn)行稱重。加載時(shí)采用4級(jí)分布荷載，分別為35t、70t、105t、140t。

在每個(gè)墩柱分別布置1個(gè)位移計(jì)、4片應(yīng)變片、2個(gè)動(dòng)態(tài)傳感器，在蓋梁上布置應(yīng)變片13片（見(jiàn)圖1）。裂縫監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)分別設(shè)在蓋梁與墩柱上。

圖1 無(wú)千縣塔頭大橋儀器儀表布置圖

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 動(dòng)力荷載試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)檢測(cè)墩柱與蓋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，推斷結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)工作的性能。

激振采用35t汽車以30km／h的速度行駛。為了有效激振，在橋面加一枕木，枕木應(yīng)離開(kāi)激振點(diǎn)一定距離，以保證在一定速度條件下激振點(diǎn)能落在預(yù)定位置。本次激振點(diǎn)分別在1號(hào)柱與2號(hào)柱上方。在每個(gè)墩柱的下部分別安裝2個(gè)傳感器，由DH5938動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

本次兩個(gè)工況的測(cè)試分析結(jié)果為：無(wú)論在1號(hào)樁柱上方還是在2號(hào)樁柱上方進(jìn)行激振，3個(gè)樁柱上的振動(dòng)頻率均為0.24Hz，這說(shuō)明樁柱－蓋梁結(jié)構(gòu)體系尚屬協(xié)調(diào)工作狀況。

2.2 應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

在1號(hào)柱（南側(cè)）與2號(hào)柱之間的蓋梁裂縫部位沿截面高每30cm粘貼一應(yīng)變片，共粘貼5片。其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。在1號(hào)樁柱上加載時(shí)（工況1），其應(yīng)變特征表現(xiàn)為上部受壓下部受拉，中性軸達(dá)80cm以上；在3號(hào)樁柱上加載時(shí)（工況2），其應(yīng)變特征表現(xiàn)為下部受壓上部受拉（與工況1的情況正好相反），其中性軸約60cm。這說(shuō)明1號(hào)柱與2號(hào)柱之間的蓋梁裂縫是由于1號(hào)樁與2號(hào)樁的過(guò)大沉降差造成的。

在3號(hào)柱（北側(cè)）正上方的蓋梁裂縫（該裂縫由上向下開(kāi)裂長(zhǎng)度達(dá)94cm，占整個(gè)截面的78%）部位沿截面高每30cm粘貼一應(yīng)變片，共粘貼5片。其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。在1號(hào)樁柱上加載時(shí)（工況1），其應(yīng)變特征表現(xiàn)為幾乎整個(gè)截面均受拉，中性軸在蓋梁的最底部；在3號(hào)樁柱上加載時(shí)（工況2），其應(yīng)變特征表現(xiàn)為下部受壓上部受拉，其中性軸接近30cm，此時(shí)的壓應(yīng)變已很大。這說(shuō)明3號(hào)柱正上方的蓋梁裂縫是由于2號(hào)樁與3號(hào)樁的過(guò)大沉降差加之3號(hào)柱上方的通行汽車荷載共同作用造成的。由蓋梁截面應(yīng)變圖分析可知，3根樁的過(guò)大沉降差是造成開(kāi)裂的主要原因。

根據(jù)應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)，2根柱的北側(cè)開(kāi)裂，亦是由于3根樁的過(guò)大沉降差造成的。

圖2 1、2號(hào)柱之間截面應(yīng)變圖

圖3 3號(hào)柱正上方截面應(yīng)變圖

圖4 2、3號(hào)柱之間截面應(yīng)變圖

2.3 基樁沉降分析

各樁隨荷載的沉降曲線見(jiàn)圖5與圖6。

圖5 1號(hào)樁沉降曲線（工況1）

圖6 3號(hào)樁沉降曲線（工況2）

在1號(hào)樁柱上加載時(shí)（工況1），1號(hào)樁的沉降對(duì)4級(jí)荷載在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)均未達(dá)到穩(wěn)定，4級(jí)荷載作用下 的 沉 降 分 別 為 0.32mm、3.064mm、5.52mm、7.370mm；2號(hào)樁在前3級(jí)荷載作用下的沉降基本是穩(wěn)定的，在第4級(jí)荷載作用下，在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)未達(dá)到穩(wěn)定，4級(jí)荷載作用下的沉降分別為0.006mm、0.120mm、1.320mm、4.330mm；3號(hào)樁的豎向位移對(duì)4級(jí)荷載在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)均達(dá)到了穩(wěn)定，變化很小，在前3級(jí)荷載下均呈現(xiàn)向上位移，在第4級(jí)荷載作用下變?yōu)橄蛳挛灰疲?級(jí)荷載作用下的沉降分別為－0.013mm、－0.045mm、－0.0063mm、－0.065mm。在卸載過(guò)程中1號(hào)樁無(wú)任何反彈。

在3號(hào)樁柱上加載時(shí)（工況2），1號(hào)樁的沉降對(duì)4級(jí)荷載幾乎無(wú)響應(yīng)；2號(hào)樁在4級(jí)荷載作用下的沉降在很短時(shí)間內(nèi)均可達(dá)到穩(wěn)定，4級(jí)荷載作用下的沉降分別為0.012mm、0.146mm、0.146mm、0.998mm；3號(hào)樁的豎向位移對(duì)4級(jí)荷載在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)均基本達(dá)到了穩(wěn)定，4級(jí)荷載作用下的沉降分別為0.130mm、0.312mm、1.402 mm、3.172mm。在卸載過(guò)程中3號(hào)樁有明顯反彈（0.28mm）。

綜合上述分析，在相同的荷載作用下，兩種工況下1號(hào)樁與3號(hào)樁的沉降差別較大，說(shuō)明3根樁的承載力有明顯的區(qū)別。根據(jù)裂縫的開(kāi)裂情況及沉降曲線綜合分析，承載力由大到小依次為3號(hào)樁、2號(hào)樁、1號(hào)樁。1號(hào)樁在卸載過(guò)程中無(wú)任何反彈的現(xiàn)象說(shuō)明，其樁周土力學(xué)性質(zhì)較差。

2.4 裂縫寬度監(jiān)測(cè)分析

加載過(guò)程中對(duì)3條有代表性的裂縫的寬度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，其中1號(hào)柱與2號(hào)柱之間蓋梁的主要裂縫為1號(hào)裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)，2號(hào)柱柱身北側(cè)主要裂縫為2號(hào)裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)，3號(hào)柱正上方蓋梁的主要裂縫為3號(hào)裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 裂縫寬度隨荷載變化實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

分析表1可知，在1號(hào)樁柱上加載時(shí)（工況1），1號(hào)裂縫、2號(hào)裂縫、3號(hào)裂縫的寬度均隨荷載等級(jí)的增加而加大。在3號(hào)樁柱上加載時(shí)（工況2），1號(hào)裂縫、2號(hào)裂縫的寬度均隨荷載等級(jí)的增加而減小，3號(hào)裂縫的寬度隨荷載等級(jí)的增加而加大。

在1號(hào)樁柱上加載時(shí)，基樁沉降由大到小依次為1號(hào)樁（7.37mm）、2號(hào)樁（4.33mm）、3號(hào)樁（0.065mm），1號(hào)樁與2號(hào)樁的沉降差是造成1號(hào)裂縫、2號(hào)裂縫寬度加大的原因，2號(hào)樁與3號(hào)樁的沉降差是造成3號(hào)裂縫寬度加大的原因。此外在目前3號(hào)裂縫已嚴(yán)重開(kāi)裂的情況下，在3號(hào)樁柱上加載時(shí)，也將加速3號(hào)裂縫的開(kāi)裂。

2.5 有限元數(shù)值模擬分析

針對(duì)上述基樁沉降情況，分別設(shè)1號(hào)樁沉降為8mm、2號(hào)樁沉降為4mm、3號(hào)樁沉降為0，采用有限元數(shù)值模擬（見(jiàn)圖7）分析樁柱－蓋梁結(jié)構(gòu)體系應(yīng)力分布。分析結(jié)果表明，高應(yīng)力分布區(qū)與實(shí)際裂縫開(kāi)裂部位相對(duì)應(yīng)。

圖7 蓋梁和墩柱有限元網(wǎng)格剖分圖

2.6 剪切波速度檢測(cè)分析

瞬態(tài)面波檢測(cè)排列為12道，道間距為0.5m，偏移距分別為3m、4m，每個(gè)基樁旁進(jìn)行兩個(gè)排列的測(cè)試，排列的中點(diǎn)與基樁相對(duì)應(yīng)。

1號(hào)基樁、2號(hào)基樁、3號(hào)基樁的樁周土瞬態(tài)面波地層剪切波速反演分析結(jié)果見(jiàn)圖8～圖10，其反演分析結(jié)果見(jiàn)表2。

圖8 1號(hào)樁瞬態(tài)面波地層剪切波速反演分析結(jié)果

圖9 2號(hào)樁瞬態(tài)面波地層剪切波速反演分析結(jié)果

圖10 3號(hào)樁瞬態(tài)面波地層剪切波速反演分析結(jié)果

表2 瞬態(tài)面波地層剪切波速反演分析數(shù)據(jù)

表2（續(xù)）

分析表2可知，在同樣的激振方式與排列方式下，1號(hào)樁的瞬態(tài)面波測(cè)試有效深度最小，3號(hào)樁的瞬態(tài)面波測(cè)試有效深度最大，這說(shuō)明1號(hào)樁的樁周土強(qiáng)度較低而影響了能量傳播。根據(jù)1號(hào)樁的有效深度，對(duì)15.7m以上的地層采用加權(quán)系數(shù)的方法求出了1、2、3號(hào)樁的樁周土等效剪切波速，分別為：1號(hào)樁241m ／s、2號(hào)樁288m／s、3號(hào)樁354m／s。

此外，由瞬態(tài)面波時(shí)域波形圖可以看出，1號(hào)樁的時(shí)域波形中面波在第6道后（對(duì)應(yīng)1號(hào)樁位），面波能量明顯消失，說(shuō)明在樁位旁存在影響面波傳遞的軟弱地層。

綜上所述，對(duì)于提供樁側(cè)摩阻力來(lái)說(shuō)，3號(hào)樁樁周土力學(xué)性質(zhì)最好，1號(hào)樁最差，這是造成樁基承載力差別的重要原因。

3 結(jié)論

3.1 應(yīng)變測(cè)試分析表明，1號(hào)柱與2號(hào)柱之間的蓋梁裂縫是由于1號(hào)樁與2號(hào)樁的過(guò)大沉降差造成的。3號(hào)柱正上方的蓋梁裂縫是由于2號(hào)樁與3號(hào)樁的過(guò)大沉降差加之3號(hào)柱上方的通行汽車荷載共同作用造成的，其中主要因素是沉降差。3根樁的過(guò)大沉降差是造成蓋梁與柱北側(cè)開(kāi)裂的主要原因。

3.2 在相同的荷載作用下，2種工況下1號(hào)樁與3號(hào)樁的沉降差別較大，說(shuō)明3根樁的承載力有明顯的區(qū)別。根據(jù)裂縫的開(kāi)裂情況及沉降曲線綜合分析，其承載力由大到小依次為3號(hào)樁、2號(hào)樁、1號(hào)樁。1號(hào)樁在卸載過(guò)程中無(wú)任何反彈的現(xiàn)象表明其樁周土力學(xué)性質(zhì)較差。

3.3 在1號(hào)樁柱上加載時(shí)，1號(hào)裂縫、2號(hào)裂縫、3號(hào)裂縫的寬度均隨荷載等級(jí)的增加而加大。在3號(hào)樁柱上加載時(shí)，1號(hào)裂縫、2號(hào)裂縫的寬度均隨荷載等級(jí)的增加而減小，3號(hào)裂縫的寬度隨荷載等級(jí)的增加而加大。在1號(hào)樁柱上加載時(shí)，基樁沉降由大到小依次為1號(hào)樁（7.37mm）、2號(hào)樁（4.33mm）、3號(hào)樁（0.065mm），1號(hào)樁與2號(hào)樁的沉降差是造成1號(hào)裂縫、2號(hào)裂縫寬度加大的原因，2號(hào)樁與3號(hào)樁的沉降差是造成3號(hào)裂縫寬度加大的原因。此外在目前3號(hào)裂縫已嚴(yán)重開(kāi)裂的情況下，在3號(hào)樁柱上加載時(shí)，也將加速3號(hào)裂縫的開(kāi)裂。

3.4 樁柱－蓋梁結(jié)構(gòu)體系有限元數(shù)值模擬分析表明，基樁沉降差是造成目前開(kāi)裂的原因，在1號(hào)樁沉降最大、2號(hào)樁沉降較小、3號(hào)樁沉降最小的條件下，數(shù)值模擬得到的高應(yīng)力分布區(qū)與實(shí)際裂縫開(kāi)裂部位相對(duì)應(yīng)。

3.5 樁周土剪切波速度測(cè)試分析表明，3號(hào)樁樁周土提供樁基承載力的力學(xué)性質(zhì)最好，1號(hào)樁最差，這是造成樁基不均勻沉降的重要因素之一。

3.6 綜合測(cè)試結(jié)果分析，造成蓋梁與樁柱開(kāi)裂的原因是基樁的不均勻沉降，3根樁沉降由大到小依次為南側(cè)樁、中間樁、北側(cè)樁，其中承載力較差的為南側(cè)樁與中間樁，中間樁沉降較小是由于在其上方有車載時(shí)可部分分配給南側(cè)樁與北側(cè)樁。造成不均勻沉降的原因除需進(jìn)一步查證施工與設(shè)計(jì)資料的矛盾問(wèn)題外，目前經(jīng)實(shí)測(cè)得到的確定因素為樁周土的力學(xué)性質(zhì)存在明顯差別。

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[2]楊茀康，李家保.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1996.

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