蘇衛(wèi)迪

摘要：當(dāng)橋梁位于復(fù)雜地質(zhì)的山區(qū)或薄弱巖層的泥巖地區(qū)時(shí)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)生偏位的情況時(shí)有發(fā)生。文章依托某高速公路橋墩偏位過大，基礎(chǔ)需要加固這一工程實(shí)際問題，對樁基加固受力分析開展了研究。首先，分別建立了橋梁的上部和樁基結(jié)構(gòu)有限元模型，得到了上部結(jié)構(gòu)不同工況下的支反力;其次，將支反力結(jié)果帶入樁基結(jié)構(gòu)模型中，進(jìn)而獲得了加固前后樁基結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài);最后，通過實(shí)際工程驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性和基于“增加樁基、擴(kuò)大承臺”加固方式的可行性。文章的研究結(jié)果不但能為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)，還能為橋墩加固中更為合理的樁基受力狀態(tài)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：橋墩;位移;加固;受力

中圖分類號：U443.15 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.026文章編號：1673-4874（2019）09-0089-04

0 引言

基礎(chǔ)對橋梁的重要性不言而喻，然而由于基礎(chǔ)通常處于環(huán)境惡劣的地區(qū)，發(fā)生病害的情況十分常見。尤其是當(dāng)基礎(chǔ)位于復(fù)雜地質(zhì)的山區(qū)或薄弱巖層的泥巖地區(qū)時(shí)，很容易發(fā)生偏位。偏位一旦過大，將直接威脅橋梁的安全運(yùn)營。相比較于推倒重建，較明智的做法是對基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理，因其具有加固周期短、對交通影響較小和經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。目前針對橋梁加固的研究很多，但大多集中于橋梁上部結(jié)構(gòu)，對樁基加固還是相對較少，尤其是對樁基加固進(jìn)行詳細(xì)的受力分析方面。鑒于此，本文依托某高速公路樁基加固工程，對加固前后的樁基進(jìn)行受力對比分析研究，以期為該類工程提供一定的理論指導(dǎo)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1理論分析

1.1工程概況

某高速公路連續(xù)梁橋立面如下頁圖1所示（六寨往河池為路線前進(jìn)方向）。橋梁位于坡度為15°-25°的低山河谷地貌處，由于山體經(jīng)長期剝蝕切割作用，導(dǎo)致地形連綿起伏，溝谷發(fā)育。橋梁上部為5x30m先簡支后連續(xù)丁梁，下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩和肋板式橋臺，墩臺均采用樁基礎(chǔ)。

由于4#和5#橋墩處原設(shè)計(jì)為橋臺，后經(jīng)過施工變更，按橋臺樁基嵌巖要求進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。然而，從基礎(chǔ)加固前補(bǔ)鉆的地質(zhì)資料分析：4#墩樁基左側(cè)3根樁基嵌巖深度約為7m左右，右側(cè)3根樁基還處在強(qiáng)風(fēng)化泥巖層內(nèi)，不滿足嵌巖要求;5#墩樁基左側(cè)3根樁基嵌巖深度約為7m左右，右側(cè)3根樁基剛進(jìn)入中風(fēng)化泥巖，不滿足嵌巖要求。

在連續(xù)暴雨的影響下，該橋第5跨與橋臺間出現(xiàn)橫向錯動，4#墩和5#墩上T梁發(fā)生橫向移動（墩頂位移如表1所示），4#和5#蓋梁均出現(xiàn)裂縫。結(jié)合地質(zhì)資料可知，4#和5#墩已經(jīng)不能滿足繼續(xù)運(yùn)營要求，提升其承載能力顯得十分必要和迫切。且相較于拆除重建，加固的優(yōu)勢更加明顯，不但對交通影響小，還能以較小的成本滿足要求。因此本文將依托該工程，對加固前后的橋墩進(jìn)行受力分析。

1.2 上部結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

為了便于計(jì)算，對上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)分析，其中上部結(jié)構(gòu)分析中的支座反力結(jié)果作為下部結(jié)構(gòu)的邊界條件。上部結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。采用梁格進(jìn)行模擬，主梁、橫梁均采用梁單元，模型中邊界位置與實(shí)際位置一致，共1102個單元、915個節(jié)點(diǎn)。

分別計(jì)算結(jié)構(gòu)在一期和二期作用下，蓋梁自重和車道荷載下的支反力，其中4#墩和5#墩處的支反力如表2所示。

由表2可以看出，支反力中車道荷載相比于結(jié)構(gòu)自重所占比例較小。因此，在正常運(yùn)營中，車輛荷載變化對樁基受力影響相對較小，這就為不中斷交通進(jìn)行加固提供了可能。為安全起見，加固施工前，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)急加固，對錨索進(jìn)行補(bǔ)張拉，每個錨固點(diǎn)處的張拉力為250kN。

1.3基礎(chǔ)受力分析

擬通過新增樁基來提高4#和5#墩承載力，同時(shí)將新增樁和舊樁通過承臺連接在一起，以此達(dá)到新舊樁共同受力的效果。因此，在原有4#墩基礎(chǔ)附近增加5根新樁基，樁基的深度比原有的橋墩增加15m（見圖3）.在5#墩基礎(chǔ)附近增加2根新樁基，深度增加8m（如圖4所示）。新樁基直徑與舊樁直徑均為1.8m，新樁基底部均嵌入到中風(fēng)化泥巖內(nèi)。承臺聯(lián)結(jié)時(shí)需對舊承臺面鑿毛，采用螺紋鋼筋梅花布置植筋，保證新舊承臺聯(lián)結(jié)牢固。

為了對比樁基加固前后受力狀態(tài)的變化，分別建立樁基加固前后實(shí)體有限元模型（如圖5-8所示）。模型中考慮巖土對樁基的作用，樁基入巖深度按照實(shí)際情況模擬，采用彈性約束模擬最不利滑坡狀況下的巖土邊界，滑坡面為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化交界面。計(jì)算參數(shù)取值如表3所示。

通過表4可以看出：（1）在樁基加固前4#基礎(chǔ)部分樁底反力超過了承載能力容許值，5#基礎(chǔ)部分樁底反力接近承載能力容許值（表中加粗部分），這是導(dǎo)致樁基偏位過大的主要原因;（2）加固前各樁底反力相差較大，使得基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)傾的風(fēng)險(xiǎn)加大，加固后由于新增承臺的作用，使各樁受力更加均勻，且各樁反力均遠(yuǎn)小于承載能力。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證加固效果，提取5#墩處各樁基加固前后樁頂截面內(nèi)力（如下頁表5所示）。通過表5可以看出：（1）同樁底反力對比結(jié)果類似，加固前各樁軸向力分布十分不均勻，而加固后軸力相對較均勻;（2）加固后的剪力和彎矩值雖然有一定程度的增加，但是均遠(yuǎn)小于各樁抗力。產(chǎn)生增大的原因主要是由于加固后下部結(jié)構(gòu)屬于偏心受壓。

2 工程驗(yàn)證

上一節(jié)通過對樁基加固后的受力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)通過“增加樁基、擴(kuò)大承臺”的加固方式是可行的。為了驗(yàn)證該加固方法的可靠性和樁基加固后受力分析的正確性，對依托工程的4#和5#樁基進(jìn)行加固。加固施工中和加固后均對樁頂進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測（監(jiān)測點(diǎn)如圖9所示），其中4#墩樁頂加固后連續(xù)100d的監(jiān)測結(jié)果如圖10所示。

樁頂位移連續(xù)監(jiān)測結(jié)果和相應(yīng)結(jié)論如下：（1）施工期間，橋墩位移偏移量較小，整體基本趨于穩(wěn)定，說明加固過程中結(jié)構(gòu)是安全的，施工方式是可靠的;（2）運(yùn)營期間，樁基偏位基本不變，說明結(jié)構(gòu)經(jīng)過加固后趨于穩(wěn)定，進(jìn)一步驗(yàn)證了加固方式的有效性，也說明了本文對樁基受力的分析是正確的。

3 結(jié)語

高速公路位于地質(zhì)復(fù)雜的山區(qū)或巖層薄弱的泥巖地區(qū)十分常見，使得橋梁基礎(chǔ)發(fā)生偏位的概率大大增加。基礎(chǔ)偏位一旦過大，將直接影響橋梁的安全運(yùn)行。本文依托某高速公路橋墩偏位過大、基礎(chǔ)需要加固這一工程實(shí)際問題，分別建立了橋梁的上部和樁基結(jié)構(gòu)有限元模型，將上部結(jié)構(gòu)得到的支反力結(jié)果帶入樁基結(jié)構(gòu)模型中，進(jìn)而獲得了加固前后樁基結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，并通過實(shí)際工程驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性和基于“增加樁基、擴(kuò)大承臺”加固方式的可行性。本文的研究結(jié)果可為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)參考。