■王劍文(福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州　350004)

軟土地基上堆載對鄰近橋梁樁基的影響

■王劍文
(福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州350004)

摘要針對近年來工程中頻繁出現(xiàn)的軟土地基上側(cè)向堆載導致橋墩樁基滑移的問題，本文以福州閩侯荊溪特大橋的6個墩位為研究對象，對其下部結(jié)構(gòu)位移進行實地觀測，并利用有限元軟件建立模型進行分析計算，提出了不同的加固和治理措施，同時對橋側(cè)軟基上堆載問題提出了不同的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞軟土地基被動樁堆載土體側(cè)移

在路基和橋梁等建設(shè)工程中，往往因地基土的工程性質(zhì)較差，使得在土體上的堆載誘發(fā)土體發(fā)生較大側(cè)向位移，使鄰近樁基礎(chǔ)受到附加水平荷載的作用，嚴重影響樁的承載性能乃至上部結(jié)構(gòu)的破壞，這類樁即稱作“被動樁”。被動樁問題有著深刻的工程背景和慘痛的經(jīng)驗教訓，特別是近年來橋梁堆載問題日益突出。本文結(jié)合實際工程，選用位于福州市閩候縣荊溪鎮(zhèn)境內(nèi)的荊溪特大橋6個墩位進行模擬分析，得出在堆載下大橋橋墩發(fā)生位移破壞的機理，同時，采用幾種措施對荊溪特大橋段落進行防護與整治。

1　工程概況

荊溪特大橋工程屬于國道主干線福州繞城公路西北段。本橋位于福州市閩候縣荊溪鎮(zhèn)境內(nèi),自西向東跨越荊溪、規(guī)劃江濱路與115縣道交叉口。本橋平面位于R＝5000m、R＝1400m和R=1900m的圓曲線以及緩和曲線或直線段上，橋上縱坡最大不超過1.3%。

荊溪特大橋共長3614.5m，上部結(jié)構(gòu)采用25聯(lián)30m左右跨PC連續(xù)T梁及一聯(lián)PC連續(xù)變截面懸澆箱梁(箱梁共長247m)，如圖1所示。

(a）橋平面示意圖

圖1　荊溪特大橋示意圖

2　橋梁病害分析

(1）實測數(shù)據(jù)分析

項目業(yè)主委托某檢測單位對橋梁樁基位移進行了檢測，由于是發(fā)現(xiàn)個別伸縮縫及路面標志線存在明顯錯移后，才開始對橋墩位移進行觀測，因此，本階段橋墩位移觀測未觀測到橋墩的全部位移。

橋墩側(cè)的土體深層水平位移呈南北向反復(fù)位移現(xiàn)象，經(jīng)分析，認為主要是：橋墩位于20多米深的軟土淤泥層中，且橋墩在南側(cè)堆土(高度約5m，如圖2所示，在8月中旬進行了卸土）、卸土、土方車輛等荷載及橋梁上的行駛的車輛荷載等影響下，出現(xiàn)位移無明顯規(guī)律的情況。9月中旬后，土體深部水平位移趨勢減小，說明土方荷載對橋墩側(cè)土體的深部水平影響較顯著。

橋墩的水平位移，在8月上旬期間位移速率較大，之后位移速率趨于收斂。其中64-1、65-1、66-1、67-4、69-1、70-1、71-3橋墩水平位移較大，其中最大偏移量為69-4的橋墩位置，最大偏移量達到了0.080m。橋墩南側(cè)堆土、卸土、土方車輛荷載及橋梁上的行駛的車輛荷載對橋墩水平位移都有影響；受堆土、卸土影響較大，土方卸載后，橋墩水平位移大多有向卸載區(qū)域方向發(fā)展的趨勢。

圖2　荊溪特大橋堆載示意圖

(2）建立理論模型

本章采用巖土軟件GeoStudio中的Sigma/W模塊來對堆載作用下的荊溪特大橋進行二維有限元分析，模擬并計算堆載荷載對橋梁樁基所產(chǎn)生的內(nèi)力和位移。采用計算模型見圖3，計算范圍100m寬，有限元模型計算網(wǎng)格(不含樁頭承臺），邊界約束條件采用左邊界水平約束，右邊界和底邊界固定約束。由于在模擬過程中考慮橋梁樁基本身尺寸對計算結(jié)果產(chǎn)生的影響，不能忽略其尺寸效應(yīng)，故采用梁單元。地下水位埋深假定為5m，根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，土層自上到下分別為軟土、卵石、粉質(zhì)粘土、全風化、碎塊狀強風化和中風化。堆載土為粘土，為計算方便，不考慮分層堆載計算時間為15d。橋梁樁基設(shè)1.5m高系梁，樁徑1.8m，在橋面施加20kPa的公路行車荷載。

軟土采用修正劍橋模型。橋身鋼筋混凝土材料選用各向異性線彈性模型，其中混凝土彈性模量取值18GPa，鋼筋取值200GPa，其余土層采用線彈性模型。

圖3　計算模型

(3）理論模型分析

荊溪特大橋在右幅橋墩的64#～71#右側(cè)存在不同規(guī)模的堆載，選取堆載規(guī)模較大且較典型的64#、65#、66#、69#和70#五個橋墩進行分析計算，將計算結(jié)果與實際檢測結(jié)果進行對比。這5個橋墩的計算最大橫向位移分別為：0.8cm、1.8cm、2.3cm、5.4cm和2.7cm，現(xiàn)場實測結(jié)果分別為：1.7cm、2.3cm、3.0cm、8cm和3.1cm，理論結(jié)算結(jié)果均略小于其檢測結(jié)果，可能原因是地質(zhì)參數(shù)的差別和忽略了堆載的長期作用下土的蠕變效應(yīng)，以及橋梁的施工質(zhì)量與理論模型存在差異性，因此，計算結(jié)果小于實測結(jié)果。但其規(guī)律基本相同，可用于計算分析。

根據(jù)計算和檢測結(jié)果，其中64#橋墩位移較小，可考慮不采取措施，65#、66#和70#橋墩均出現(xiàn)一定程度的位移，需考慮進行一定的加固與防治措施，69#橋墩處位移較大，對橋梁使用性能造成影響，必須采取加固措施。因此，以位移最大的69#橋墩為例，采取先卸載再對橋墩進行加固的方式進行治理。將堆載進行卸載是最簡單的處理方式，對69#墩附近的堆載進行卸載，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4　卸載計算結(jié)果分析

可以看出，左右樁基出現(xiàn)明顯位移變化，在卸載前，左樁基最大位移達到5.44cm，右樁基最大位移達到5.2cm，卸載后，左樁基最大位移恢復(fù)到4cm，右樁基最大位移恢復(fù)到5.2cm，分別回正了1.45cm和1cm。說明卸載對于橋梁樁基存在一定的控制作用，預(yù)防了橋梁位移進一步偏移，但由于作用有限。對于規(guī)模較小的堆載，可簡單采用卸載方式。

在對堆載進行卸載后，可采用以下方法對橋墩進行加固：

①增大截面法：在墩柱的表面增加混凝土并配置縱、橫向鋼筋，縱筋必須錨固在承臺中。承臺也相應(yīng)進行加固。增大截面加固法通常采用的型式有圓形、矩形；加固方式可分為全截面加固和部分截面加固。

②外包鋼管法：圓形橋墩采用薄鋼管外包塑性鉸區(qū)的加固技術(shù)時，宜采用兩塊半圓形的鋼管現(xiàn)場沿豎向接縫焊接而成，鋼管的內(nèi)徑比橋墩直徑略大，空隙中灌注微膨脹水泥砂漿，鋼管的下端與承臺頂面應(yīng)有40mm的間隙。

③粘貼纖維復(fù)合材料法：纖維復(fù)合材料適用于鋼筋混凝土墩柱的延性加固。

(4）提出預(yù)防措施

同樣，經(jīng)過建立相應(yīng)的數(shù)學模型進行模擬分析，可得以下幾種較少樁基橫向位移的預(yù)防措施。

①地基換填土：換填后最大位移由原來的5.4cm減少至4.3cm，變化不明顯，因此該法適用于軟基層較薄，或者荷載較小的情況；

②隔離樁：在模型中堆載和橋梁之間加一隔離樁(樁徑2m，樁長23m，嵌入卵石層)，最大位移由原來的5.4cm減少至4.7cm，變化不明顯，因此該法適用于軟基層較薄，或者荷載較小的情況；

③復(fù)核地基：在模型中加入小直徑旋挖成孔灌注樁(樁徑1m，樁間距1m) ,最大位由原來的5.4cm減少至1.5cm，效果顯著。該方案對于防治軟土地基上的堆載引起的橋梁樁基位移有著明顯的效果，但此方案造價偏高，因此在選用時需考慮其經(jīng)濟指標。

3　結(jié)論

(1）針對荊溪特大橋工程而言，64#橋墩位移較小，可考慮不采取措施，65#、66#和70#橋墩均出現(xiàn)一定程度的位移，需考慮進行一定的加固與防治措施，69#橋墩處位移較大，對橋梁使用性能造成影響，必須采取加固措施。

(2）以位移最大的69#橋墩進行分析，采取了幾種不同的加固和防治措施，并進行模擬分析。在堆載后進行卸載，橋梁樁基位移回正了1~1.5cm。說明卸載對于橋梁樁基存在一定的控制作用，預(yù)防了橋梁位移進一步偏移，但由于作用有限。對于規(guī)模較小的堆載，可簡單采用卸載方式。

(3）采用換填土和旋挖樁復(fù)合地基的方法對軟基進行處理，其中換填土法使得橋梁位移減小了1.1cm，對于橋梁樁基存在一定的控制作用，適用于軟基層較薄，或者荷載較小的情況；旋挖樁復(fù)合地基的方法減小到原來位移的1/3不到，起到了明顯的控制作用，大大減小了橋梁的位移，此方法對于防治軟土地基上的堆載引起的橋梁樁基位移有著明顯的效果。

(4）在堆載和橋梁之間加入隔離樁的方法，使得橋梁樁基位移平均減小0.65cm，效果不明顯。

(5）從原則上應(yīng)防止在橋梁兩側(cè)進行任意堆載，若迫不得已需要進行堆載時，應(yīng)采取預(yù)防措施，預(yù)防效果最好的是地基加固法，但造價偏高，需考慮其經(jīng)濟因素；建議采用換填土或加固樁的方法。

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