李 平

（濱州公路工程有限公司，山東 濱州 256600）

0 引言

登汝高速公路下穿某橋第5、6孔，5號(hào)墩位于該高速路基中間，路基填筑量較大，極有可能導(dǎo)致樁周邊土層壓縮下沉量較大，對(duì)樁身產(chǎn)生不利的負(fù)摩阻力。為保證運(yùn)營(yíng)安全，本文對(duì)該橋梁樁基承載力及附近路堤工程穩(wěn)定性進(jìn)行研究，以便為后續(xù)處置提供依據(jù)。

1 工程概況

鄭州至登封快速通道改建工程全長(zhǎng)73.616km，按一級(jí)公路兼具城市道路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度為80km∕h，路線(xiàn)向西南而行，在火龍沽堆與規(guī)劃的登汝高速相交于某大橋。該橋?qū)儆卩嵵葜恋欠饪焖偻ǖ栏慕üこ痰囊蛔陆蛄?，橋梁中心樁?hào)為K59+738，全長(zhǎng)247m，橋面橫坡為雙向2%，縱斷面位于R=6653.979的豎曲線(xiàn)上。橋梁橫斷面為分離式雙幅，單幅橋面全寬15.98m，凈寬12.635m，橋?qū)捊M合為0.345m 防撞護(hù)欄+12.635m 行車(chē)道+3.0m 人行道。橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-I級(jí)；上部結(jié)構(gòu)型式為兩聯(lián)4孔30m后張預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，先簡(jiǎn)支后連續(xù)，單幅橫橋向布設(shè)5片小箱梁；下部結(jié)構(gòu)采用柱式橋墩，肋板式橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；兩橋臺(tái)處采用80型伸縮縫，4號(hào)墩處采用160型伸縮縫；橋臺(tái)及4號(hào)橋墩采用GYZF4300×65型四氟滑板式橡膠支座，其余橋墩采用GYZ450×84型板式橡膠支座；本橋1、2、3、7號(hào)橋墩下部樁基為嵌巖樁，其余橋墩及橋臺(tái)樁基為摩擦樁。其中，登汝高速公路下穿該橋第5、6孔，5號(hào)墩位于該高速中間。登汝高速與鄭登快速通道王家窯大橋交叉，交叉樁號(hào)K1+689.347。大橋4#、5#、6#墩埋置填方路基內(nèi)，登汝高速K1+500～K1+800段位填方路基，填方總量17.6萬(wàn)m3。

2 橋位處土層力學(xué)參數(shù)

根據(jù)4#墩、5#墩、6#墩附近地質(zhì)鉆孔資料，橋位以下樁基穿越的土層為粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖、微風(fēng)化砂巖，樁位附近鉆孔土層的試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層力學(xué)參數(shù)

3 橋梁樁基承載力驗(yàn)算

3.1 恒載及車(chē)輛荷載

橋梁樁基主要承受上部結(jié)構(gòu)、蓋梁、墩柱的自重恒載和汽車(chē)荷載、風(fēng)荷載等荷載，并將荷載傳遞給地基。利用邁達(dá)斯Civil2019分別建立下部結(jié)構(gòu)模型。

橋梁?jiǎn)畏鶚蛎鎯魧挒?2.635m，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）按三車(chē)道加載，分別按照內(nèi)側(cè)偏載、對(duì)稱(chēng)布載、外側(cè)偏載布置，并考慮橫向折減及沖擊系數(shù)μ=0.183；設(shè)計(jì)人群荷載為3.0kN∕m2，人行道設(shè)計(jì)寬度為3.0m。

將在上部結(jié)構(gòu)恒載及汽車(chē)荷載作用下，各梁底支座反力按實(shí)際位置作用于蓋梁，再與蓋梁及立柱自重作用下產(chǎn)生樁頂反力累加，最終得出恒載及活載作用下樁頂反力。通過(guò)對(duì)4#墩、5#墩、6#墩進(jìn)行比較，選擇三者樁頂反力最大一根樁進(jìn)行驗(yàn)算，見(jiàn)表2。

表2 恒載及活載作用下6#墩各樁頂反力值

由表2計(jì)算結(jié)果可知，在恒載及活載作用下，內(nèi)側(cè)偏載6-3#樁頂反力最大，R6-3=5486.7kN，因此6#墩選擇6-3#樁進(jìn)行驗(yàn)算對(duì)象。

3.2 汽車(chē)制動(dòng)力

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）4.3.6條，汽車(chē)荷載產(chǎn)生的制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值按加載長(zhǎng)度上車(chē)道荷載的10%計(jì)算，且公路-Ⅰ級(jí)汽車(chē)荷載制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值不得小于165kN，同向三車(chē)道為一個(gè)車(chē)道的2.34倍。

汽 車(chē) 制 動(dòng) 力：FZ=10%×[(120×10.5)+360]=162kN ＜165kN，取單車(chē)道制動(dòng)力為165kN，單向三車(chē)道制動(dòng)力為2.34×165kN=386.1kN

進(jìn)行各墩臺(tái)支座抗推剛度計(jì)算，第2聯(lián)橋梁各墩臺(tái)支座抗推剛度比及各墩制動(dòng)力分配值如表3所示。

表3 第2聯(lián)墩臺(tái)制動(dòng)力分配值

由表3 可知，第2 聯(lián)作用于6#墩頂汽車(chē)制動(dòng)力FZ=102.81kN，作用于6-3#樁頂?shù)钠?chē)制動(dòng)力102.81=34.27kN。

3.3 風(fēng)荷載

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）4.3.7條，作用于蓋梁縱橋向迎風(fēng)面的風(fēng)荷載標(biāo)注值按下式計(jì)算：

Fwh=k0k1k3WdAwh

式中：

k0——設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期系數(shù)；

k1——風(fēng)載阻力系數(shù)；

k3——地形、地理?xiàng)l件系數(shù)；

Wd——設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)壓；

Awh——迎風(fēng)面面積。

相關(guān)計(jì)算系數(shù)與參數(shù)均按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）取值。蓋梁迎風(fēng)面面積計(jì)算如下：

Awh=31.56m2

則縱橋向作用于6#墩蓋梁上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

Fwh=0.9×1.00×1.00×0.86×31.56=24.42kN

則作用于6-3#樁頂?shù)娘L(fēng)荷載：

3.4 樁頂荷載組合

3.4.1 基本組合

按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0，按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）4.1.6條進(jìn)行荷載組合。

3.4.2 作用短期效應(yīng)組合

按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)作用短期效應(yīng)組合，永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與可變作用頻遇值效應(yīng)組合。

3.5 單樁負(fù)摩阻力計(jì)算

當(dāng)樁周土體因某種原因發(fā)生下沉，其沉降變形大于樁身的沉降變形時(shí)，在樁側(cè)表面的全部或一部分面積上將出現(xiàn)向下作用的摩阻力，稱(chēng)為負(fù)摩阻力，如圖1所示。

圖1 樁的正、負(fù)摩阻力

負(fù)摩阻力不但不能成為樁承載力的一部分，反而變成施加在樁上的外荷載，對(duì)于入土深度相同的樁來(lái)講，若存在負(fù)摩阻力，則樁的外荷載將變大，樁的承載能力相對(duì)下降，樁基沉降加大。

樁的負(fù)摩阻力產(chǎn)生的主要原因有：（1）在樁附近地面大量堆載，引起地面沉降；（2）土層中抽取地下水或其他原因，地下水位下降，使土層產(chǎn)生自重固結(jié)下沉；（3）樁穿過(guò)欠壓密實(shí)土層（如填土）進(jìn)入硬持力層面，土層產(chǎn)生自重固結(jié)下沉；（4）在黃土、凍土中的樁，因黃土濕陷、凍土融化產(chǎn)生下沉。

登汝高速公路下穿該橋第5、6孔，登汝高速路基設(shè)計(jì)標(biāo)高為331.529m，而該橋5#墩樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高為330.821m，在312.821～330.821m高度范圍內(nèi)為深溝，在修筑登汝高速路基過(guò)程中，施工單位對(duì)該高度范圍的深溝進(jìn)行填筑，填料總厚度合計(jì)為21.3m，其中灰土2m，約占填料總厚度的9%；素土5.6m，約占填料總厚度的26%；碎石10.5m，約占填料總厚度的49%；卵石土3.2m，約占填料總厚度的15%。按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63-2007）5.3.2節(jié)的方法計(jì)算5#墩的單樁負(fù)摩阻力，計(jì)算公式如下：

假定樁周沉降變形土層厚度為填料厚度，根據(jù)持力層性質(zhì)，中性點(diǎn)的深度系數(shù)λ建議取為0.9，但考慮到底層灰土處理等因素影響，中性點(diǎn)的深度系數(shù)λ取為0.7，則中性點(diǎn)深度h=0.7×21.3=14.9m。負(fù)摩阻力系數(shù)β值為安全起見(jiàn)，取類(lèi)似土的相對(duì)較大值：灰土、素土取0.3；卵石土取0.4；碎石取0.5?？汕蟮?#墩單樁摩阻力為：

3.6 樁側(cè)土壓力計(jì)算

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）4.2.3-10條規(guī)定，作用在樁柱上的土壓力計(jì)算寬度為：

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）4.3.4-1條規(guī)定，汽車(chē)荷載引起的土壓力采用車(chē)輛荷載加載，可按下式換算成等代均布土層厚度h（m）計(jì)算：

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）4.2.3條相關(guān)規(guī)定，壓實(shí)填土重力的豎向和水平壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：

土的重度、內(nèi)摩擦角等按照相應(yīng)各層填土厚度的加權(quán) 平 均 進(jìn) 行 計(jì) 算，γm=21.7kN∕m3，φm=30.76°，λ=，偏安全考慮，取側(cè)壓系數(shù)為0.5。

根據(jù)均布條形荷載作用下土中應(yīng)力計(jì)算方法、三角形分布條形荷載作用下土中應(yīng)力計(jì)算方法等進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算：P1=2.37kPa、P2=50.23kPa、P3=54.67kPa、P4=44.79kPa。考慮樁側(cè)土彈簧系數(shù)，利用MIDAS Civil建立模型進(jìn)行樁身受力分析（見(jiàn)圖2）。其中6-3#樁頂水平荷載設(shè)計(jì)值Fh=40.13kN，豎向荷載設(shè)計(jì)值Fv=5547.86kN，樁頂彎矩設(shè)計(jì)值Md=513.66kN.m。當(dāng)考慮負(fù)摩阻力影響時(shí)，6-3#樁底總荷載為5547.86kN，大于單樁承載力5132.1kN。

圖2 樁側(cè)土壓力分布圖

4 路堤穩(wěn)定性驗(yàn)算

登汝高速與鄭登快速通道王家窯大橋交叉，交叉樁號(hào)K1+689.347，交叉角度135°。王家窯大橋4#、5#、6#墩埋置填方路基內(nèi)，登汝高速K1+500～K1+800段為填方路基，填方總量17.6萬(wàn)m3。根據(jù)施工單位提供資料，填料總厚度合計(jì)為21.3m，其中灰土2m，約占填料總厚度9%；素土5.6m，約占填料總厚度26%；碎石10.5m，約占填料總厚度49%；卵石土3.2m，約占填料總厚度15%。

因路堤穩(wěn)定性分析的既有路堤碎石、卵石土等強(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)難以實(shí)施，本次驗(yàn)算取用強(qiáng)度參數(shù)參考規(guī)范文獻(xiàn)等資料并結(jié)合咨詢(xún)省內(nèi)部分專(zhuān)家的意見(jiàn)確定。通過(guò)理正軟件進(jìn)行計(jì)算，路堤穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）在設(shè)計(jì)荷載下，按設(shè)計(jì)圖紙和地勘資料提供的地質(zhì)等參數(shù)，該大橋按實(shí)際施工順序，考慮負(fù)摩阻影響時(shí)，6#墩豎向承載力不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，比設(shè)計(jì)值低8.1%。

（2）鑒于近期該橋已進(jìn)行試運(yùn)營(yíng)通車(chē)，考慮到通車(chē)后重載及交通量較大等情況，為保證橋梁運(yùn)營(yíng)安全，建議盡快委托具有相關(guān)資質(zhì)的單位對(duì)橋墩沉降、橋墩水平位移、墩址填土路堤地表和深部變形進(jìn)行連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，若有安全隱患，及時(shí)采取交通管制等措施保障運(yùn)營(yíng)安全。

（3）依據(jù)參考規(guī)范文獻(xiàn)等資料并結(jié)合咨詢(xún)省內(nèi)部分專(zhuān)家確定取用的強(qiáng)度參數(shù)，路堤穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果為路堤處于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)考察，建議該橋及時(shí)設(shè)置安裝排水管，防止泄水孔處漏水沖刷路堤形成沖溝；并建議做好填土路堤排水工程，加強(qiáng)填土路堤巡視檢查，觀(guān)察邊坡及周邊情況，地表及邊坡是否有新的裂縫產(chǎn)生，已有裂縫的變化情況，邊坡是否有土體坍塌，并按相關(guān)要求詳細(xì)記錄時(shí)間、地點(diǎn)、規(guī)模等內(nèi)容。