趙現(xiàn)省，陳雄飛

（江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司， 江蘇 江陰 214521）

土層變位對樁基影響分析及地基基礎(chǔ)加固措施

趙現(xiàn)省，陳雄飛

（江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司， 江蘇 江陰 214521）

以實(shí)際工程為背景，研究了軟土地基對橋梁樁基移位的影響，從軟土地基穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)和穩(wěn)定性分析，得出該處軟土地基承載力以及樁身的受力狀況，著重研究了被動樁與軟弱土體之間的作用機(jī)理。通過對軟土地基與基礎(chǔ)、橋墩立柱加固以及盆式橡膠支座更換來使橋梁結(jié)構(gòu)達(dá)到安全營運(yùn)狀態(tài)。

軟土；地基；偏位；加固

1　工程概況

某高速公路大型樞紐互通內(nèi)共有9條單向匝道，采用變異半直連+半苜蓿葉型樞紐互通，主線設(shè)計(jì)車速120 km/h，匝道設(shè)計(jì)車速40~60 km/h。互通內(nèi)設(shè)有主線特大橋1座，總長1 120.28 m，該橋上部結(jié)構(gòu)為（3×20）+（4×20）+（3×24+36+23.5）+（4×21）+（3×19.5）+（3×25）+（4×20）+（4×20）+（22.5+32.5+27.4+20）+（5×20.8）+（23.6+31.6+23.6）+（3×20）+（3×20）+（3×20） m共14聯(lián)。其中第3、6、9、11聯(lián)為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱型結(jié)構(gòu)，第6聯(lián)梁高1.6 m，余均為1.8 m。余下幾聯(lián)均為鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁，梁高1.3 m。下部結(jié)構(gòu)采用雙柱、三柱、四柱式混凝土墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；橋臺采用肋板式橋臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；全橋采用滿堂支架現(xiàn)澆方法施工。

1.1橋梁病害

發(fā)生病害的橋墩為左右幅3號墩，橋墩立柱向南側(cè)傾斜，支座嚴(yán)重偏位，該處橋梁典型斷面圖如圖1所示：

圖1　典型斷面圖（單位：cm）

（1）左幅3號墩1號支座、2號支座、3號支座，右幅3號墩1號支座、2號支座頂面所有盆式支座橡膠板擠出鋼盆，支座偏位嚴(yán)重。

（2）左幅3號墩1號立柱、2號立柱、3號立柱，右幅3號墩1號立柱、2號立柱整體向南側(cè)傾斜，立柱下部偏位帶動柱頂向南側(cè)偏移，造成立柱南側(cè)表面環(huán)向開裂。

1.2工程地質(zhì)與地貌

根據(jù)該處地質(zhì)勘察報(bào)告，該橋路基下軟土IIb的主要土層工程性狀如表1所示?？梢钥闯?，軟土層不僅埋藏淺、厚度大，且壓縮性很高，強(qiáng)度相對典型軟土略偏優(yōu)，但指標(biāo)離散性偏高［1］。

表1　淺埋軟土IIb工程性質(zhì)指標(biāo)

2　軟土地基穩(wěn)定分析

2.1軟土地基穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)［2-3］

樁基水平位移控制標(biāo)準(zhǔn)目前國內(nèi)外尚無統(tǒng)一結(jié)論。美國交通研究委員會將“樁基不可承受的變形”即變形控制標(biāo)準(zhǔn)定義如下：所謂不可承受的變形是指，該變形將導(dǎo)致上部建筑結(jié)構(gòu)的破壞，因而需要付出高昂的維護(hù)或者修復(fù)費(fèi)用，甚至重新修建更昂貴的結(jié)構(gòu)。

Bozozuk（1978）通過對美國和加拿大150座采用樁基礎(chǔ)支撐的橋梁橋墩和橋臺的調(diào)查分析，給出了基樁樁頂變形的允許值，如表2所示。

表2　樁基變形容許值 mm

美國國家工程部1978—1983年對“公路橋梁可承受的變形標(biāo)準(zhǔn)”課題進(jìn)行了立項(xiàng)研究，搜集了美國及加拿大境內(nèi)314座橋梁的基礎(chǔ)變位，結(jié)構(gòu)破壞和變形容許值的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并分析了不同頻率和數(shù)量級的位移對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，并合理設(shè)定了橋梁可承受的變形標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。

表3　樁基雙向變形容許值 mm

美國聯(lián)邦高速公路管理局（FHWA，1985）對樁基允許變形進(jìn)行了研究。證實(shí)了Bozozuk（1978）的研究結(jié)論，即樁基僅受水平位移時(shí)，允許位移值應(yīng)小于50 mm。但當(dāng)樁基同時(shí)存在水平位移和豎向位移時(shí)，水平位移控制標(biāo)準(zhǔn)則僅為25 mm。

樁基變形控制標(biāo)準(zhǔn)對于指導(dǎo)初步設(shè)計(jì)至關(guān)重要，如果基樁樁頂位移超過了上述50 mm變形控制標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)分析。

2.2軟土地基穩(wěn)定分析［4］

基于土壓力的被動樁分析方法研究中，在理論、試驗(yàn)和數(shù)值分析的基礎(chǔ)上提出了被動樁極限側(cè)壓力的建議值約為8~12 cu［5］（適用于地表一定深度以下土層），對于地表附近取值較低，如2.0~4.0 cu。

該橋路基填土高度H = 5.15 m，填土密度按19.5 kN/m3考慮，軟土不排水強(qiáng)度cu=21 kPa，m=1.5~2.5。公式（1）顯示軟土地基承載力不足。

因此，軟土地基承載力不足，在相對較高路基邊載作用下，導(dǎo)致了排樁發(fā)生側(cè)向位移，同時(shí)建造完成后環(huán)境治理時(shí)，周邊池塘曾經(jīng)長期降水，可能加劇排樁基礎(chǔ)水平位移。

2.3被動樁基穩(wěn)定分析

由于基樁的存在限制了軟弱土層的側(cè)向變形，并將堆載側(cè)土體位移引起的壓力傳遞到下部穩(wěn)定地基土層中。因此，在偏移基樁分析時(shí)，可將樁身簡化分為上部受土體位移作用的被動區(qū)和下部受穩(wěn)定土抗力作用的主動區(qū)，并結(jié)合上、下兩區(qū)樁土作用特點(diǎn)，建立樁身微分方程［6］：

式中：hs為地基滑動面；k為下部穩(wěn)定土體地基抗力，k=mz 。

被動樁內(nèi)力計(jì)算首先需確定路堤堆載作用下淺層軟土側(cè)移引起的對橋墩樁基的推力p（z），如式（3）所示。沈珠江院士（1992）基于散體極限平衡理論推導(dǎo)了土體沿水平方向繞樁滑動時(shí)樁身受到的繞流阻力公式。假定土層無限廣闊并沿水平向?qū)Υ怪睒蹲飨鄬\(yùn)動，且樁側(cè)面絕對粗糙，得到圓形樁單位樁長上的繞流阻力公式如下［7］：

式中：dp為樁徑；σv為垂直應(yīng)力，計(jì)算中取為路堤堆載作用下樁基處地基附加應(yīng)力與地基土有效重度之和；c為地基粘聚力；φ為地基內(nèi)摩擦角；Cd為軟土繞流樁身阻力系數(shù)。

根據(jù)該橋基礎(chǔ)資料，樁長46 m，樁徑1.5 m，樁心距7.27 m，結(jié)果表明，匝道堆載作用下排樁樁頂水平位移w0=7.86 cm時(shí)，對應(yīng)轉(zhuǎn)角φ0=0.5%。此時(shí)，樁身最大彎矩Mmax=3 340 kNm，位于樁頂下13 m處。

樁基正截面彎拉抗力，可以根據(jù)基樁配筋與樁身材料及截面尺寸，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理分析確定。沿周邊均勻配置縱向鋼筋的圓形截面鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件，其正截面受壓承載力宜符合下列規(guī)定［8］：

式中：A為圓形截面面積；As為全部縱向鋼筋的截面面積；r為圓形截面的半徑；rs為縱向鋼筋重心所在圓周的半徑；e0為軸向壓力對截面重心的偏心距；ea為附加偏心距；α為對應(yīng)于受壓區(qū)混凝土截面面積的圓心角與 2π的比值；α1為矩形應(yīng)力圖的應(yīng)力值取為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘以系數(shù)。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級不超過C50 時(shí)， 取為1.0，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C80 時(shí)，取為10.94，其間按線性內(nèi)插法確定；αt為縱向受拉鋼筋截面面積與全部縱向鋼筋截面面積的比值，當(dāng)α＞0.625時(shí)，取α=0。

通過計(jì)算可以得出，樁身軸心抗壓樁截面抗力［N］=5 090 kN，偏心受壓時(shí)的截面抗彎［M］=3 240 kN·m，且樁身最大彎矩Mmax=3 340 kN·m＞［M］=3 240 kN·m，樁承載力略有不足。

3　病害加固方案

3.1地基加固［9-10］

（1）采用旋噴樁加固軟土層

鑒于現(xiàn)有樁基地貌特征，為加強(qiáng)非對稱邊坡軟土穩(wěn)定，改善軟土層側(cè)向強(qiáng)度低的現(xiàn)狀，擬采取雙重管旋噴樁加固地層。旋噴樁的功能主要如下：①改善軟土層承載與補(bǔ)償穩(wěn)定；②改善南側(cè)浜塘岸坡局部穩(wěn)定；③避免引起鄰樁次生抗側(cè)穩(wěn)定；④提高新增基樁軟土抗側(cè)剛度。

（2）在原樁基的兩側(cè)增設(shè)2排阻滑承載樁和整體承臺

由原設(shè)計(jì)單排樁托換為3排樁，即在原樁基兩側(cè)增設(shè)2排樁，然后在3排樁上面澆筑整體承臺以增加地基的穩(wěn)定性，如圖2所示：

圖2　樁基布置圖（單位：cm）

（3）橋墩基礎(chǔ)地表開裂處置方案

該橋橋墩立柱基礎(chǔ)間土體嚴(yán)重開裂，擬采取土工格室表層換填處置方案，格室內(nèi)回填碎石材料或改良土，小型機(jī)械碾壓密實(shí)，形成柔性格室防護(hù)系統(tǒng)。

3.2橋墩及支座維修加固

地基與基礎(chǔ)加固完成后，還需要對橋墩立柱及支座進(jìn)行維修和更換，由于橋墩立柱向南側(cè)傾斜并且有環(huán)向裂縫，最終決定采用Q235圓形鋼管鋼抱箍原橋墩立柱，在鋼抱箍與原橋墩立柱之間澆筑高強(qiáng)灌漿料填充密實(shí)。

橋墩立柱加固完成后，使用千斤頂同步頂升技術(shù)更換新的盆式橡膠支座。

4　結(jié)論

（1）由于軟土地基承載力不足，再加上路基邊載以及周邊池塘的作用導(dǎo)致排樁發(fā)生了側(cè)向位置。

（2）通過計(jì)算，樁身最大彎矩略大于樁身承載力，樁承載力略有不足。

（3）通過旋噴樁加固軟土層以及在原樁基的兩側(cè)增設(shè)兩排樁基和整體承臺提高了地基承載力，使得樁基和橋梁達(dá)到安全營運(yùn)狀態(tài)。

［1］JTG D63—2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］蔡國軍.軟土地基中橋頭路基填筑對橋臺樁的影響研究［D］. 南京：東南大學(xué)，2004.

［3］刑世玲，葉見曙，姚曉勵(lì).橋梁樁基礎(chǔ)有限元模型構(gòu)建思路與應(yīng)用［J］. 特種結(jié)構(gòu)，2010，27（2）：77-80.

［4］SritharanS，PriestleyM. J. N，SiebleF. Enhancing seismic performance of bridge. Capbeam-to-column joints usingprestressing［J］. PCL Journal，1999，44（7）：30-37.

［5］Jay Holombo，M. J. NigelPriestly，F(xiàn)rieder Seible. Continuity of preeast prestressed spliced-girder bridge under seismic loads［J］. PCI Journal，2000，5：40-63.

［6］GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］聶如松. 軟土地基樁基礎(chǔ)橋臺工作機(jī)理與設(shè)計(jì)方法研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2009.

［8］ JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［9］段斧，顏任安. 軟土地基上橋臺的病害分析與對策［J］.中外建筑.2007（10）：95-97.

［10］劉敦平.軟土運(yùn)動作用下被動樁的樁-土水平相互作用［10］研究［D］. 長沙：湖南大學(xué)，2005.

Soil Displacement Influence on Pile Foundation Analysis and Foundation Reinforcement Measures

Zhao Xiansheng，Chen Xiongfei
（Jiangsu Yangzi River Bridge LTD, Jiangyin 214521, China）

Based on practical engineering, this paper studied the influence of soft soil foundation pile displacement of the bridge. From standard and stability analysis of soft soil foundation stability obtained in the soft soil foundation bearing capacity and the stress of the pile, this paper analyzed the passive action mechanism between the pile and the soil. Through the soft soil foundation and foundation, the pier column reinforcement and pot rubber bearing replacement, it could achieve safe operating condition for bridge structure.

soft soil; foundation; deviation; strengthening

U443.15

B

1672-9889（2015）04-0045-04

趙現(xiàn)?。?985-），男，河南濮陽人，碩士研究生，主要從事高速公路公路橋梁養(yǎng)護(hù)工作。

（2014-10-24）