孫 浩

（中鐵四局集團第三建設有限公司，天津300163）

1 工程概況

某在建公路橋梁設有一跨35 m預制簡支小箱梁跨越既有河道，其中0#臺為樁柱式橋臺，1#臺為肋板式橋臺。0#臺樁柱直徑為1.5 m，樁柱長40 m。1#臺下設雙排共6根φ1.5 m鉆孔灌注樁，樁長40 m；承臺高2 m、寬6.5 m；帽梁下設2個肋板，厚1.1 m、高6.946 m和7.076 m。預制箱梁梁端為80型伸縮縫，梁縫設計寬50 mm，梁底每端設2個高阻尼隔振橡膠支座[1]，直徑395 mm、總高167 mm、剪切模量0.8 MPa。見圖1。

圖1 橋梁結構正立面

橋址區(qū)主要分布有雜填土、粉質黏土、粉土、粉砂等。橋頭兩側地基采用預應力混凝土管樁（PHC管樁，AB型）進行處理，正方形布置，樁徑0.4 m、樁長20 m、樁距2 m。樁端位于粉土層，地基承載力容許值為150 kPa，樁側土摩阻力標準值為50 kPa。

因0#臺臺后管樁區(qū)域存在地下管線且未能及時遷改，為及時打通預制梁運輸的通道，提前施作0#臺樁柱、橋臺并架設35 m預制箱梁，澆筑濕接縫，對臺后臨時回填形成運梁便道，待預制梁運輸完成后，反開挖0#臺臺后臨時填筑的便道，將地下管線遷改，再施工臺后剩余的12排PHC管樁。

采用錘擊法沉樁，自路基向橋臺依次進行,在管樁端沉設至約40%（5排）時，發(fā)現0#臺整體明顯向大里程端偏移、傾斜，橡膠支座出現明顯變形；遂立即停止管樁施工，對橋臺位移原因進行分析，研究處理方案。

2 橋臺位移情況

0#臺整體向大里程端傾斜和移位、無明顯破壞；橡膠支座受剪切出現明顯變形；預制箱梁梁端縫變小、局部單端頂死，預制箱梁發(fā)生整體位移，梁跨減??；箱梁未發(fā)現明顯破壞。見圖2。

圖2 橋臺位移情況

1）橋臺整體傾斜、位移。經監(jiān)測和統(tǒng)計，0#臺背墻底部向跨中位移平均52 mm，背墻頂部向跨中位移平均114 mm。初步判斷橋臺背墻隨樁柱發(fā)生了整體位移。見表1。

表1 0#臺位移數據mm

2）支座剪切變形。受橋臺和預制箱梁的相對位移影響，預制箱梁梁底的高阻尼隔振橡膠支座（小里程端）底面隨橋臺位移發(fā)生向大里程端的縱橋向位移，剪切變形后呈傾斜狀的柱體，支座底面和頂面相對水平錯動距離達55 mm。多數支座橫橋向無明顯變形，僅少數局部有輕微的剪切變形現象。見圖3。

圖3 橡膠支座剪切變形情況

3）預制箱梁位移、梁縫變化情況。0#臺位移使得0#臺處梁縫變小，橋臺背墻局部與箱梁梁端頂緊，對預制箱梁產生向大里程方向的推力；加之隨橋臺一同位移的支座與梁底接觸面摩擦力的作用，使得預制箱梁整體向大里程方向位移，位移量約40 mm。1#臺梁縫設計寬50 mm，受預制箱梁位移影響后縮小為10 mm。

3 橋臺位移原因分析

3.1 施工方面

1）PHC管樁沉樁擠土效應的影響。PHC管樁在貫入過程中會有較明顯的擠土效應，樁周土體受到擠壓產生一定位移及變形。貫入后樁周土體的孔隙比減小，干重度增大，土體密實度增大[2]。管樁貫入對樁間粉土和粉砂有較強的擠密作用，內摩擦角和壓縮模量均增大，標貫擊數有所提高[3]。

關于沉樁擠土效應問題，可以采用圓孔擴張理論進行研究。打樁過程可以看作是受均勻內壓的圓柱形空腔體的擴張問題，結合土體的理想彈塑性和工作硬化彈塑性本構模型，可以用數值方法分析打樁對土體產生的影響[4～5]。為分析管樁貫入擠土效應引起的樁周土體徑向位移規(guī)律和趨勢，采用有限元計算軟件MIDAS GTS NX模擬管樁貫入過程，采用位移貫入法[6～7]進行模擬。

（1）基本假定。采用總應力法進行分析計算；管樁樁體采用線彈性模型，樁身材料選擇C80鋼筋混凝土；各層土體都是均質的連續(xù)彈塑性體，服從Drucker-Prager屈服準則；樁土接觸面采用庫侖摩擦的面-面接觸方式，同時認為樁體和周圍土體一旦接觸，法向就不再分開，切向可以相對滑動；土顆粒和孔隙水不可壓縮，體積變化是由顆粒間的孔隙被擠壓所造成的，同時考慮大變形即幾何非線性影響；不計土體自重應力場的影響。

（2）計算參數。為簡化計算，采用二維軸對稱模型模擬管樁貫入過程，管樁、土體均采用二維軸對稱單元模擬。土體計算區(qū)域徑向取6 m（15倍樁徑）、豎向取50 m（2.5倍樁長），土體底面、右側面及對稱軸上設置對應法向約束，土體頂面為自由表面。見表2和圖4。

表2 管樁及土體計算參數

續(xù)表2

圖4 有限元計算模型

（3）計算結果。經模擬分析，單根管樁貫入土體過程中，土體受擠壓產生水平向位移，同時地表土體產生較大隆起。土體總體水平位移趨勢：表層土體和深層土體位移較小，中上部土體水平位移較大；樁周土體豎向位移總體表現為地面隆起，下部主要表現為土體的豎向壓縮變形。距離樁中心越近，水平位移和豎向位移越大，擠土效應越明顯。見圖5。

圖5 管樁貫入擠土效應土體位移

基于單根管樁貫入擠土效應的分析，該橋梁臺后PHC管樁施工中，在多排管樁貫入擠土效應的疊加影響下，土體產生較大水平位移并作用于0#臺樁基側面，樁基無法抵抗土體的水平作用力從而帶動橋臺一同發(fā)生縱橋向位移。PHC管樁貫入的擠土效應是該在施橋梁橋臺發(fā)生位移的根本原因。

2）PHC管樁沉樁施工順序及沉樁流水施工方向的影響。對于PHC管樁等類擠土樁，沉樁前需考慮擠土或施工振動對周圍結構物或建筑物的影響。為避免或降低擠土樁貫入土體對周邊環(huán)境造成的影響，對于該類橋梁施工，應先進行PHC管樁沉樁施工，待管樁全部沉設完且地層趨于穩(wěn)定后，再進行鉆孔樁、橋臺等的施工，即使是在橋臺鉆孔樁已經施工完成的情況下沉設管樁，也應從橋梁側向路基側。試驗研究表明[8]，管樁貫入后其作用半徑范圍內土體的強度和側摩阻力等提高，液化性和液化等級降低，土體的抗水平位移剛度得到一定提升。加之群樁的遮簾作用[9]，即背著所保護對象沉樁比對著保護對象沉樁產生的擠土效應要小得多，可以通過改變沉樁的流水施工方向，利用先期沉入樁的遮簾作用來降低擠土效應產生的影響；同時控制沉樁速率和進度，結合施工監(jiān)測，完成剩余管樁施工。

3）橋臺與路基施工順序的影響。該類型橋臺施工應在路基填筑完成后進行，實際由于受管線遷改進度及運梁通道等因素影響，先施工0#橋臺，后施工臨時便道土方且橋臺前后填土壓實質量存在較大差異。此為該橋臺發(fā)生位移的又一誘因。

3.2 設計方面

設計0#臺為單排樁，樁徑1.5 m、樁長40 m，單排樁的抗水平荷載能力及抗傾斜能力較雙排樁明顯不足。在管樁貫入擠土效應作用下，橋臺發(fā)生位移，其主要原因是采用了抗水平荷載及抗傾斜能力弱的單排樁設計。

4 處理方案

4.1 樁基質量檢測

橋臺發(fā)生位移有可能對已完工的鉆孔樁造成不利影響，為驗證樁身完整性和缺陷等情況，采用旁孔透射波法[10]對樁基進行檢測。通過激振錘敲擊樁頂面或與樁頂連結的結構物產生壓縮波或剪切波，波沿樁身向下傳播并透射至周圍土層，同時利用檢波器在樁邊預先鉆好的孔內接收透射波信號，通過觀察波形等對樁身缺陷等情況進行輔助分析[11～12]。經檢測分析，該橋臺鉆孔樁樁身完整，無明顯缺陷。

4.2 地基處理方法

臺后剩余部分PHC管樁地基處理未施工完成，須對該剩余部分地基進行處理。一方面，為降低已沉設PHC管樁造成的擠土效應，可以采取設置應力釋放孔或壓泄孔、設置防擠槽或設置袋裝砂井等措施[13]；另一方面，采用非擠土樁的工藝對剩余區(qū)域地基進行處理。實際采用長螺旋鉆機進行取土成孔，灌注混凝土后壓入短鋼筋籠，再施工樁帽。

4.3 橋臺處理及臺后填土方法

臺后地基處理完成且橋臺監(jiān)測數據穩(wěn)定后，再對橋臺進行處理。經過設計計算，在原單排鉆孔樁的小里程端相應增設一排鉆孔樁并增設拉結系梁與橋臺背墻相連，形成較穩(wěn)定的雙排樁基礎。見圖6。

圖6 橋臺變更設計結構構造

鉆孔樁、拉結系梁施工完成后，進行臺后路基填筑。臺后路基采用泡沫輕質土施工，可有效控制基底及本體的變形，加快施工進度。

4.4 支座更換

由于橡膠支座變形嚴重，需對其進行更換，采用PLC控制多液壓缸同步頂升系統(tǒng)[14]將整幅完成濕接縫施工的預制箱梁整體頂升后再更換支座。根據箱梁上部結構荷載及結構實際情況，配備以下頂升設備：1臺監(jiān)控主機、1臺液壓泵站、1個分油塊、1臺控制柜、8臺50 t千斤頂及高壓油管等。該同步頂升系統(tǒng)千斤頂間的同步精度差為1.0 mm。見圖7。

圖7 橋梁同步頂升系統(tǒng)

為防止箱梁整體頂升時擠壓作用力突然釋放使箱梁發(fā)生前后“躥動”，導致千斤頂出現滑脫的危險情況，頂升時采用單端整體頂升的方案，即先采用8臺千斤頂對一端箱梁進行頂升，臨時支墊后更換支座；再按相同方法頂升另一端和更換支座。此外，箱梁一端頂升前，對另一端采用“拉、頂”結合的措施進行加固，即在箱梁和橋臺伸縮縫預埋鋼筋之間焊接連接鋼筋，形成拉結體系；在梁縫里塞墊方木，形成頂撐體系。在頂升另一端時，按相同方法重新施作拉頂體系后，拆除先期施作的拉頂體系，再頂升該端箱梁。

橋梁頂升及支座更換具體施工工藝流程：頂升準備→試頂升→保壓→正式頂升→安裝臨時支墊→更換支座→橋面高程校核→拆除臨時支墊→落梁→拆除頂升設備→解除拉頂體系。由于橋臺墊石也發(fā)生了向跨中的位移，更換支座時應以預制箱梁跨徑保持不變的原則來確定新的支座位置。

4.5 梁縫處理

由于橋臺位移后預制箱梁梁端梁縫變小、局部出現頂死，已不滿足設計和使用要求，為確保橋梁的正常通車和運營，對允許最小梁縫寬度進行驗算

式中：ΔL為預制箱梁梁長變化量，mm；α為混凝土的線膨脹系數，取1×10-5；ΔT為溫度變化值，℃；L為預制箱梁梁長，mm。

考慮處理時溫度增加30℃，計算得預制箱梁梁長變化量為10.5 mm。

對梁縫寬度不足或梁端出現頂死的部位進行處理。在滿足保護層厚度的前提下，采用繩鋸切割預制箱梁梁端或部分鑿除橋臺背墻的方法處理梁縫。

5 處理效果

按上述處理方案進行相應處理后，后續(xù)施工及使用過程中橋臺未發(fā)生新的位移，預制箱梁梁體伸縮自由，支座受力及形狀正常，箱梁及濕接縫正常，橋梁與路基之間過渡平順，處理效果良好。

6 建議

1）本工程先施工橋臺后進行地基處理和填筑路基是導致橋臺發(fā)生位移的前提；在地基處理中，既未充分認識到管樁沉設對周邊結構物等可能造成的影響，又采取了錯誤的沉樁順序，從而加劇了橋臺位移。因此，應正確認識各工序的重要性及不同施工順序可能對結構造成的影響

2）該單跨橋梁兩個橋臺的設計標準明顯不一致，單排樁設計明顯不合理，而有效的圖紙審查和設計審核可提前發(fā)現并糾正設計文件存在的明顯錯誤。因此，應認識到圖紙審查和設計審核的必要性和重要性。

3）臺前土方填筑時，前后回填壓實質量存在較大差異，臺前填土壓實質量差，未能有效限制橋臺縱橋向位移的發(fā)展。因此，應認識到工序質量控制和現場管理的重要性。

4）沉樁時，未對管樁施工可能造成的風險進行研判，直至橋臺位移發(fā)展到支座出現明顯變形時，才發(fā)現橋臺已經發(fā)生較大位移，因此，應認識到現場應變能力和風險預判能力的重要性。