不良地質下橋梁樁基脫空的應對措施及模擬分析

張世冀　稅銀平

(貴州省交通規劃勘察設計院股份有限公司　貴陽　550081)

不良地質下橋梁樁基脫空的應對措施及模擬分析

張世冀稅銀平

(貴州省交通規劃勘察設計院股份有限公司貴陽550081)

摘要某橋梁地處貴州山區，橋下溶洞發育豐富，由于地質的復雜性與地勘不詳等原因，橋梁出現了樁基脫空的現象。文中通過實地勘測與理論計算相結合，采用“移動樁基、加強承臺”的方法確保了橋梁下部的安全。

關鍵詞樁基脫空不良地質加固

1工程概況及問題

杭瑞高速貴州境畢節地區地處貴州高原西部高原山地區，受侵蝕-溶蝕影響，地形條件較為復雜。區域基巖為灰白夾灰黃色強-中風化破碎白云質灰巖，且場區附近屬侵蝕-溶蝕低中山斜坡地貌，溶洞發育豐富。在橋梁下部樁基的施工過程中難度大，要求地勘精度高，如果地質勘查不仔細，經常會出現樁脫空這類問題。

某24.5 m路基寬40 m多跨連續T梁橋(三跨一聯)7號墩下地質情況見圖1，承臺平面8×7.5 m，高2 m；承臺上接60 m矩形實體橋墩，矩形墩截面尺寸6.5 m×2.6 m；下接1.8 m嵌巖樁基4根，順橋向樁基間距4.5 m，橫橋向樁基間距5 m。

該區域樁基覆蓋層為第四系殘坡積(Qel+dl)含碎石粉質粘土，持力層為灰白夾灰黃色強-中風化破碎白云質灰巖(frk=15 MPa)，樁基按嵌巖樁設計[1]。由于地質的復雜性與地勘不詳等原因，施工中樁基出現脫空現象(認為樁基對結構受力不起有利作用)。為減少經濟損失、保障生產周期，并保證工程結構安全，經實地勘測后設計中決定采用“樁基外移，承臺加強”的方法，避開溶洞發育區域，見圖2，為減小由于承臺一側剛度減小而產生的橋墩橫向傾斜問題，承臺加厚0.55 m，以滿足下部承臺抗裂及承載能力要求。

圖1地質斷面圖圖2承臺樁基圖

2承臺受力分析方法

由于增加了樁基根數，本方法可以保證樁基受力上的安全，但增加了承臺受力的復雜性。承臺作為“承上啟下”的傳力結構，承受橋墩傳遞的軸力、彎矩及剪力作用，下面受到5根樁基的不均勻支撐。根據《公路鋼筋混凝土與預應力混凝土橋涵設計規范》[2],承臺外排樁中心距離承臺邊緣等于或小于承臺高度時，承臺按“撐桿-系桿”方法計算承臺截面。鑒于承臺受力的復雜性，設計中采用大型有限元計算分析軟件Midas civil 2012作為結構分析和計算的手段，建立結構離散實體三維模型見圖3，模型共有單元數9 211，節點數2 418。承臺上部作用力可以通過對橋梁建立全橋模型整體受力分析取得，并施加于實體模型上。

圖3承臺實體模型圖

3承臺應力結果及分析

承臺下部樁基脫空以下部受拉為特征，故分析中主要以承臺下底面為主。承臺應力及位移計算結果及分析如下。

(1) 經分析計算承臺底部X方向主應力Sx見圖4,在原有樁基缺失部位出現拉應力4.86 MPa；在既有樁基頂部位出現壓應力4.97 MPa。樁基脫空對承臺下底面應力影響較大(數值大小而言)，局部應力變化：①承臺底拉應力區域有向另一側擴展的趨勢；②由于拉應力區域剛度減小，橋墩有橫向傾斜的趨勢。設計中采取的措施：①根據應力計算結果增加樁基脫空區配筋設計；②增加承臺的剛度以防止樁基脫空一側出現橫向傾斜。

圖4承臺應力Sx

(2) 經分析計算承臺底部Y方向主應力Sy見圖5,在樁基分布中心部位出現拉應力1.31 MPa；在既有樁基頂部位出現壓應力1.48 MPa。樁基脫空對承臺下底面應力影響較小(數值大小而言)，且出現了局部應力變化：①樁基分部中心部位拉應力區域變大，豎向有向樁基脫空部位擴展的趨勢，橫向有向右側移動的趨勢；②脫空一側應力增大，有出現拉應力的趨勢，但由于樁基間距較小，尚未出現拉應力，未影響到結構安全，設計中可根據應力大小情況采用增強底部配筋保證結構安全。

圖5　承臺應力Sy

(3) 經分析承臺在受力中的位移量見圖6,在樁基脫空承臺一側剛度減弱的情況下，橋墩發生傾斜，故設計中采用增加承臺高度處理。在增加承臺高度前，橋墩傾斜角度為0.33°，承臺所屬7號墩墩高60.1 m，由此產生的墩頂位移為34.5 cm,位移與傾角較大，不滿足橋墩墩頂位移及轉角要求；在增加承臺高度后，橋墩傾斜角度為0.13°，承臺所屬7號墩墩高60.1 m，由此產生的墩頂位移為13.6 cm，滿足橋墩墩頂位移及轉角要求。

圖6　承臺位移圖

(4) 計算結果。承臺亦可看做厚度較大的板，承臺受力某些方面與結構理論中單向板、雙向板受力理論一致。對于本橋承臺，設計中承臺以橫向受力為主，豎向受力為次。根據受力特點，設計中應在承臺橫向特別是樁基脫空區域根據應力大小配置足夠數量的鋼筋以滿足承臺的承載能力及正常使用要求，同時增大厚度以彌補由于樁基脫空支撐跨度增大造成的剛度缺失，防止橋墩及上部結構橫向位移過大，影響結構安全與行車舒適。

4結語

承臺樁基脫空在貴州省侵蝕-溶蝕影響的地質條件下經常存在，研究此類問題對于西南地區地質復雜區域的橋梁建設很有意義。承臺作為深受彎構件，在通常的規范及設計計算中常以“撐桿-系桿”法計算，此類方法計算簡單結果相對保守，且對于復雜情況下的承臺不容易簡化，限制了其使用的便利性[3]。對于本橋設計中的復雜受力狀態，則必須借助大型有限元設計軟件才能計算清楚。本文通過采用“移動樁基、加強承臺”的方法，一方面滿足樁基的傳力要求，保證樁基受力的安全；另一方面通過借助有限元方法詳細計算承臺受力，并根據承臺應力大小配置足夠數量的鋼筋保證承臺的承載能力及正常使用要求，同時增大承臺高度以降低由于樁基脫空造成的剛度缺失[4]。通過以上分析和計算，結合本橋實際施工，無論理論值與實測結果對比，還是具體施工都表明本計算方法是合理、適用的，采用“移動樁基、加強承臺”的方法確保了橋梁下部的安全，對于以后類似問題的處理有很強的借鑒意義。

參考文獻

[1]JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2]JTG D63-2007公路橋涵地基與基礎設計規范[S]. 北京：人民交通出版社，2007.

[3]工程地質手冊編委會.工程地質手冊[M].4版. 北京：中國建筑工業出版社，2007.

[4]公路橋涵設計手冊.墩臺與基礎[M].2版. 北京：人民交通出版社，2013.

收稿日期：2014-09-30

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.008