橋側堆載對橋梁樁基的影響分析及處理方法

張曉曦

(蘇交科集團股份有限公司 南京 210017)

公路橋梁基礎以樁-承臺基礎為主，這種深基礎形式在控制橋梁的工后沉降方面效果顯著。但近年來，隨著我國城市化的快速發展，基礎建設的規模日益增大，大量的工程建設勢必會產生多余的堆土及棄方。這些棄方若堆在橋梁墩臺周圍，會對附近的橋梁墩臺與基礎產生兩方面的影響：一是樁周堆土會在樁身產生負摩擦力，增加樁的豎向荷載并產生不均勻的沉降；二是樁臨近堆載的一側會受到額外的水平推力，引起樁的撓曲變形，從而造成上部結構產生偏移甚至不能正常使用。現行的公路橋梁設計時，很少對公路沿線棄方堆于橋梁周圍而引起的不利因素進行考慮，對施工及運營中堆載引起的工程病害亦未重視，易引發工程事故。

本文以某斜拉橋為例，對已存在的橋梁附近堆載進行監測分析，提出處理方案并分析實際處理效果。

1 橋梁概況

某斜拉橋主橋為獨塔單索面雙跨預應力混凝土斜拉橋，塔、墩、梁剛接，跨徑組合105 m(主跨)+70 m(錨跨)，橋面總寬36.5 m；引橋為現澆連續箱梁和簡支梁，跨徑分別為30，40 m；橋梁總體布跨為2×(4×30 m)+40 m+(70 m+105 m)+3×30 m；主墩采用薄壁箱-柱組合式橋墩，錨墩、邊墩及引橋均為樁柱式橋墩；橋梁基礎均采用樁基礎。

該橋梁正常運營已超過10年，但根據近期橋梁定期檢測發現：橋梁附近存在大面積違規棄土，棄土場坡腳距離橋梁最小距離約13 m，棄土場長168 m、寬150 m、高13 m，橋側堆土高度已基本與橋面齊平。過高的堆土會對橋梁樁基產生附加側向應力，引起樁基的撓曲變形，給橋梁造成重大安全隱患。

2 觀測點的布置

為評估堆土對橋梁的實際影響，需分析地基的變形。針對實際情況，擬埋設部分測斜管，以便長周期觀察地基的側向變形。

根據工程地質情況及現場管線布置情況,布設了4根測斜管,具體位置見圖1。

圖1 檢測管的布設(單位：m)

測斜管在埋入后的第一個月測量1次。受篇幅所限，本文僅給出其中某個測斜管的形變數據，見圖2。

圖2 測斜管變位

由圖2可見，測斜管在埋入1個月后，樁基頂部附近土的側向位移已經達到5 mm。考慮到土體并非完全的彈性體，堆載對橋梁的影響有一定的延時性，因而橋墩樁基存在重大安全隱患，需進行整治。

3 橋樁水平位移安全標準

目前國內對橋樁的水平位移控制尚無定論，因此本文參考了美國相關研究的標準。美國交通研究委員會將“樁基不可承受的變形”即變形控制標準定義如下：所謂不可承受的變形是指該變形將導致上部建筑結構破壞，因而需要付出高昂的維護或者修復費用，甚至重新修建更昂貴的結構。美國聯邦高速公路管理局(FHWA，1985)對樁基允許變形進行了研究，并給出了相關標準，即僅有水平位移的情況下樁頂水平位移超過50 mm 則進入危險區段；樁端在水平位移和豎向位移共同作用情況下，樁頂水平位移超過25 mm則進入危險區域，需要進行整治。

由于樁基不僅受到堆載的水平附加應力的影響，橋梁上部結構的自重也會使樁端產生豎向位移，因此將樁的水平位移安全限值定為25 mm。

4 計算過程和結果

首先，依據圣維南原理，作用于彈性體上一小塊面積(或體積)的荷載所引起彈性體中的應力，在離荷載作用區稍遠的地方，基本只與荷載的合力和合力矩相關；而荷載的具體分布只影響荷載作用區附近的應力分布[1]。因而可以將實際雜亂無章的堆土按照總重度和力矩不變的原則，簡化為均布荷載，然后按式(1)計算附加應力。

(1)

式中[2]：q為均布荷載數值；α為z深度下某點與均布荷載中點的連線與豎直方向的夾角；β為z深度下某點與均布荷載兩端形成的夾角。

計算出的8 m堆載下，樁側附加荷載分布見圖3。

圖3 應力隨深度的分布

對于樁在橫軸向荷載作用下的內力與位移的計算，國內外學者提出了許多方法。目前較為普遍的是采用文克爾假定，該方法稱為彈性地基梁法。

以文克爾假定為基礎的彈性地基梁法從土力學觀點看是不夠嚴密的，但其基本概念明確，方法簡單，結構一般偏安全，因此，在國內外工程界得到廣泛應用。

彈性地基梁概念中土抗力σzx與橫向位移關系如式(2)

σzx=Cxz

(2)

式中：σzx為橫向土抗力，kN/m2;C為地基系數，kN/m3;xz為深度z處樁的橫向位移，m。

地基系數C值是通過對試樁在不同類別土質及不同深度進行實測xz及σzx后反算得到。我國公路、鐵路在樁基基礎設計中普遍采用“m”法[3]，則假定地基系數隨深度成正比分布，如式(3)

C=mz

(3)

式中：m為地基土比例系數,kN/m4。

利用材料力學，可得到梁的撓曲微分方程為

(4)

式中：E，I為分別為樁的彈性模量及界面慣性矩；z為樁的長度，m；xz為樁在長度z處的橫向位移，m；b1為樁的計算寬度，m。

利用式(4)，結合樁頂及樁底的邊界條件，則可求解出樁的水平位移x及轉角φ。考慮到高階微分方程求解的復雜性，這里不再贅述。

在如今的工程設計中，隨著計算機技術的發展，受連續荷載的樁的位移計算成為了可能。基本思路是將樁分成若干小段，每一段上分布的荷載可等效施加集中荷載，以此求出每一段樁的位移，然后疊加得到樁的總位移。

理正巖土軟件包含彈性地基梁的計算模塊。可以將受附加水平土壓力產生側向位移的樁，看成是豎直放置的彈性地基梁，因而可以利用文克爾彈性地基梁的思路和理論，采用理正巖土軟件求解。

用彈性地基梁法計算時，土的水平基床系數k，按式(5)、(6)計算。

(5)

(6)

式中：E為土的彈性模量，Pa；b為梁的寬度，此處取樁的計算寬度，m；υ為土的泊松比；Es為土層的側限壓縮模量，Pa；IC為基礎腳影響系數。

依照《基礎工程》[4]中表3-2可以得到IC=0.64，υ、Es可以利用相應的地勘報告得到。計算得到的土層參數見表1。

表1 各土層參數

荷載的加載:將每層土上分布的側向荷載簡化為梯形分布的荷載。加載效果見圖4。

圖4 荷載沿樁身的分布(單位：尺寸，m；地基系數，kN/m3)

樁身側向位移計算結果見圖5。

圖5 堆載引起的樁身側向位移(單位：mm)

從圖5可見，在堆載的作用下，樁頂的位移將達到35.7 mm。這已經超出了25 mm的安全限值。這里注意到，由于樁頂受到承臺的約束，且依據圖3、圖4，堆載對樁的應力分布規律為先增加后減小，因而樁的最大位移并非出現在樁頂，而是在距樁頂1/4附近。這也說明計算結果符合樁的實際受力及約束情況。

依據前述土應力的計算公式可知，土應力的大小與均布荷載的數值有直接關系，因此，可試算不同高度下樁頂的位移，并據此制定處理措施。

將堆載高度減少至6，4 m后，相應的應力分布見圖6、圖7。

圖6 6 m堆載時應力分布

圖7 4 m堆載時應力分布

利用前述方法，計算出相應的樁頂位移見圖8、圖9。

圖8 6 m堆載時側位移計算結果(單位：mm)

圖9 4 m堆載時側位移計算結果(單位：mm)

由圖8、圖9可以看到，減載后樁頂位移降低明顯，堆載高度為6，4 m時的樁頂側位移見表2。

表2 減載后樁頂位移

5 處理措施與結果

依據表2結果，結合上述安全標準，初步提出2個方案：①降低堆載高度；②以橋梁為對稱軸，在對稱位置堆載同樣高度的土堆。考慮到該橋梁所在地為密集工業地區，土地價格昂貴，且堆載會破壞環境的美觀。因此，擬定將土堆高度削減至4 m，以保證橋梁安全。

本次計算堆載作用下的最終位移為理論值，由于堆載時間較短且斜拉橋一直處于監測狀態，位移暫未超過安全極限，因此采用經濟實用的減載方式；若超過，需結合橋梁配筋數據等，進一步驗證橋梁在此變位下的安全性，這里不再贅述。

6 結論

1) 橋梁附近的堆載，會產生附加的水平應力，進而引起橋梁樁基的撓曲及水平變位。

2) 以彈性地基梁法為理論基礎，結合數值分析方法，可以計算出樁基的水平位移，該位移與實際觀測結果相吻合。

3) 采用減載措施，可有效消除堆載造成的危害且較為經濟實用。在其他工程中，可結合實際需要及經濟技術能力，對橋梁采取合理的加固等措施。