宋重陽，胡承澤，龔輝朋

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，橋梁作為跨越山谷或河流的重要結(jié)構(gòu)，加快了地區(qū)間的交通聯(lián)系。由于洪水沖刷或人為的河道采砂等原因，會(huì)導(dǎo)致河床沖刷、橋墩樁基外露等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響橋梁安全性。本文以湖北省黃岡市上巴河橋?yàn)楸尘埃瑢?duì)橋墩樁基抗沖刷安全性及加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了探討，可為同類型橋梁借鑒。

1 橋梁概況

湖北省黃岡市上巴河橋跨越巴河，2007年建成通車。橋梁全長(zhǎng)466 m，橋?qū)?2.5 m，行車道凈寬9 m，兩側(cè)人行道寬1.75 m。上部結(jié)構(gòu)采用23×20 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用雙圓柱墩，柱徑1.2 m、樁徑1.5 m。主河道內(nèi)橋墩墩柱高11.3 m，樁長(zhǎng)18.5 m(嵌入中風(fēng)化巖層1.5 m，中風(fēng)化巖層以上為17 m厚中粗砂層)。汽車荷載等級(jí)：公路-Ⅱ級(jí)，人群荷載3.5 KN/m2。

由于上巴河采砂嚴(yán)重，導(dǎo)致河床下降，至2018年，主河道樁基普遍沖刷外露8～9 m，最大沖刷外露高度達(dá)9.6 m，平均沖刷80 cm/年。

2 橋墩抗沖刷安全性分析

2.1 分析思路

2007年通車至今，樁基最大沖刷深度已達(dá)9.6 m，沖刷最嚴(yán)重的橋墩河床線以上墩柱及樁基總高度達(dá)20.9 m，河床線以下樁基最小埋深僅8.9 m(中粗砂層7.4 m+入巖1.5 m)。

為了更好的掌握樁基沖刷現(xiàn)狀條件下以及遠(yuǎn)期樁基沖刷最不利狀況條件下橋墩抗沖刷穩(wěn)定及安全性，考慮一定的樁身沖刷及表面缺陷，分2種工況驗(yàn)算橋墩樁基承載力：

工況一：按目前樁基最大沖刷深度9.6 m，樁基入粗砂層7.4 m+嵌巖1.5 m；

工況二：按遠(yuǎn)期樁基沖刷最不利狀況，中粗砂層全部沖刷，僅樁端入巖1.5 m。

2.2 設(shè)計(jì)荷載

(1)上部結(jié)構(gòu)恒載：①空心板自重；②橋面鋪裝；③護(hù)欄；④人行道板。

(2)上部結(jié)構(gòu)活載。設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅱ級(jí)，人群3.5 KN/m2，行車道凈寬9 m，人行道2×凈1.5 m。上部結(jié)構(gòu)活載包括：①公路-Ⅱ級(jí)汽車荷載；②汽車制動(dòng)力；③人群荷載。

2.3 有限元模型

采用Midas2019建立橋墩有限元模型。樁周邊界條件：中粗砂層采用土彈簧模擬，樁端在基巖頂面固結(jié)。

2.4 強(qiáng)度驗(yàn)算

在承載能力極限狀態(tài)基本組合作用下。

工況一，樁身最大彎矩出現(xiàn)在中粗砂層頂面以下1 m左右，最大彎矩Md=787.6 KN·m，見圖1，對(duì)應(yīng)的軸力Nd=4 852.3 KN。

工況二，樁身最大彎矩出現(xiàn)在基巖頂面處，最大彎矩Md=1 033.7 KN·m，見圖2，對(duì)應(yīng)的軸力Nd=5 199.8 KN。

圖1 工況一彎矩計(jì)算 圖2 工況二 彎矩計(jì)算結(jié)果/KN·m 結(jié)果/KN·m

橋墩強(qiáng)度計(jì)算的一個(gè)最關(guān)鍵因素是計(jì)算長(zhǎng)度取值，滑動(dòng)支座按2倍的實(shí)際長(zhǎng)度考慮，橡膠支座按1.3倍的實(shí)際長(zhǎng)度考慮。9#墩頂設(shè)板式橡膠支座，橋墩及樁基自由總長(zhǎng)度為l，計(jì)算長(zhǎng)度偏安全取l0=2l。按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，驗(yàn)算樁基正截面抗壓承載能力，驗(yàn)算結(jié)果見表1。

表1 樁身強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果表

(1)按樁基沖刷現(xiàn)狀，樁基入中粗砂層7.4 m，樁基入巖1.5 m，樁身強(qiáng)度驗(yàn)算安全系數(shù)1.34，樁身強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，但安全富余較小。

(2)考慮遠(yuǎn)期樁基沖刷最不利情況，中粗砂層全部沖刷，僅樁端入巖1.5 m，樁身強(qiáng)度驗(yàn)算安全系數(shù)0.76，樁身強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求。

2.5 穩(wěn)定性驗(yàn)算

2種工況條件下，橋墩屈曲模態(tài)見圖3～圖4，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2。

圖3 一階屈曲模態(tài)(順橋向) 圖4 二階屈曲模態(tài)(橫橋向)

表2 橋墩穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果表

(1)按樁基沖刷現(xiàn)狀，樁基入中粗砂層7.4 m，樁基入巖1.5 m，橋墩一階屈曲模態(tài)為順橋向屈曲，穩(wěn)定系數(shù)為7.58>4，滿足規(guī)范要求。

(2)考慮遠(yuǎn)期樁基沖刷最不利情況，中粗砂層全部沖刷，樁基僅入巖1.5 m，橋墩一階屈曲模態(tài)為順橋向屈曲，穩(wěn)定系數(shù)為5.85>4，滿足規(guī)范要求，但穩(wěn)定系數(shù)安全富余較小。

3 加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)前面分析，在樁基沖刷現(xiàn)狀條件下，橋墩及樁基驗(yàn)算滿足規(guī)范要求，但安全富余均較??；考慮遠(yuǎn)期樁基沖刷最不利狀況，樁身強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求，且下部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)偏低。為保證橋墩及樁基抗沖刷安全及穩(wěn)定性，需對(duì)橋墩及樁基進(jìn)行承載能力加固。

3.2 橋墩加固方案

橋墩樁基加固最有效的是“抬樁法”加固，即在橋墩兩側(cè)新增4根Φ120 cm樁基，并新增工字形承臺(tái)，新增承臺(tái)通過植筋與原樁基連接，以保證新老樁基共同受力。

3.3 加固后橋墩驗(yàn)算

橋墩加固后的驗(yàn)算考慮樁基沖刷最不利情況，中粗砂層全部沖刷，僅樁端入巖1.5 m。有限元模型及主要計(jì)算結(jié)果見圖5～圖7。

(1)橋墩加固模型 (2)橋墩加固一階屈曲模態(tài) (順橋向穩(wěn)定系數(shù)20.46)圖5 橋墩加固

橋墩樁基采用“抬樁法”加固后，橋墩為群樁受力狀態(tài)，主要結(jié)論：

(1)單樁基本處于軸心受壓狀態(tài)， 樁身強(qiáng)度驗(yàn)算滿足規(guī)范要求；

圖6 橋墩加固后軸力圖/KN

圖7 橋墩加固后彎矩圖/KN·m

(2)橋墩下部順橋向剛度提高，穩(wěn)定性系數(shù)提升至20.46，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目對(duì)橋墩沖刷安全及穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行了研究，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)樁基采用“抬樁法”加固，加固后橋墩樁基強(qiáng)度及穩(wěn)定性大大提升，證明了橋墩抗沖刷安全性分析方法及加固設(shè)計(jì)方案合理可行，可供其他同類型工程實(shí)踐參考。