某高速公路樁基加固受力分析研究

蘇衛迪

摘要：當橋梁位于復雜地質的山區或薄弱巖層的泥巖地區時，基礎結構發生偏位的情況時有發生。文章依托某高速公路橋墩偏位過大，基礎需要加固這一工程實際問題，對樁基加固受力分析開展了研究。首先，分別建立了橋梁的上部和樁基結構有限元模型，得到了上部結構不同工況下的支反力;其次，將支反力結果帶入樁基結構模型中，進而獲得了加固前后樁基結構的受力狀態;最后，通過實際工程驗證了理論計算的正確性和基于“增加樁基、擴大承臺”加固方式的可行性。文章的研究結果不但能為類似工程提供經驗，還能為橋墩加固中更為合理的樁基受力狀態提供指導。

關鍵詞：橋墩;位移;加固;受力

中圖分類號：U443.15 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.026文章編號：1673-4874（2019）09-0089-04

0 引言

基礎對橋梁的重要性不言而喻，然而由于基礎通常處于環境惡劣的地區，發生病害的情況十分常見。尤其是當基礎位于復雜地質的山區或薄弱巖層的泥巖地區時，很容易發生偏位。偏位一旦過大，將直接威脅橋梁的安全運營。相比較于推倒重建，較明智的做法是對基礎進行加固處理，因其具有加固周期短、對交通影響較小和經濟、環保等優點。目前針對橋梁加固的研究很多，但大多集中于橋梁上部結構，對樁基加固還是相對較少，尤其是對樁基加固進行詳細的受力分析方面。鑒于此，本文依托某高速公路樁基加固工程，對加固前后的樁基進行受力對比分析研究，以期為該類工程提供一定的理論指導和實踐經驗。

1理論分析

1.1工程概況

某高速公路連續梁橋立面如下頁圖1所示（六寨往河池為路線前進方向）。橋梁位于坡度為15°-25°的低山河谷地貌處，由于山體經長期剝蝕切割作用，導致地形連綿起伏，溝谷發育。橋梁上部為5x30m先簡支后連續丁梁，下部結構采用雙柱式橋墩和肋板式橋臺，墩臺均采用樁基礎。

由于4#和5#橋墩處原設計為橋臺，后經過施工變更，按橋臺樁基嵌巖要求進行設計施工。然而，從基礎加固前補鉆的地質資料分析：4#墩樁基左側3根樁基嵌巖深度約為7m左右，右側3根樁基還處在強風化泥巖層內，不滿足嵌巖要求;5#墩樁基左側3根樁基嵌巖深度約為7m左右，右側3根樁基剛進入中風化泥巖，不滿足嵌巖要求。

在連續暴雨的影響下，該橋第5跨與橋臺間出現橫向錯動，4#墩和5#墩上T梁發生橫向移動（墩頂位移如表1所示），4#和5#蓋梁均出現裂縫。結合地質資料可知，4#和5#墩已經不能滿足繼續運營要求，提升其承載能力顯得十分必要和迫切。且相較于拆除重建，加固的優勢更加明顯，不但對交通影響小，還能以較小的成本滿足要求。因此本文將依托該工程，對加固前后的橋墩進行受力分析。

1.2 上部結構計算分析

為了便于計算，對上部結構和下部結構進行單獨分析，其中上部結構分析中的支座反力結果作為下部結構的邊界條件。上部結構有限元模型如圖2所示。采用梁格進行模擬，主梁、橫梁均采用梁單元，模型中邊界位置與實際位置一致，共1102個單元、915個節點。

分別計算結構在一期和二期作用下，蓋梁自重和車道荷載下的支反力，其中4#墩和5#墩處的支反力如表2所示。

由表2可以看出，支反力中車道荷載相比于結構自重所占比例較小。因此，在正常運營中，車輛荷載變化對樁基受力影響相對較小，這就為不中斷交通進行加固提供了可能。為安全起見，加固施工前，根據監測結果對結構進行應急加固，對錨索進行補張拉，每個錨固點處的張拉力為250kN。

1.3基礎受力分析

擬通過新增樁基來提高4#和5#墩承載力，同時將新增樁和舊樁通過承臺連接在一起，以此達到新舊樁共同受力的效果。因此，在原有4#墩基礎附近增加5根新樁基，樁基的深度比原有的橋墩增加15m（見圖3）.在5#墩基礎附近增加2根新樁基，深度增加8m（如圖4所示）。新樁基直徑與舊樁直徑均為1.8m，新樁基底部均嵌入到中風化泥巖內。承臺聯結時需對舊承臺面鑿毛，采用螺紋鋼筋梅花布置植筋，保證新舊承臺聯結牢固。

為了對比樁基加固前后受力狀態的變化，分別建立樁基加固前后實體有限元模型（如圖5-8所示）。模型中考慮巖土對樁基的作用，樁基入巖深度按照實際情況模擬，采用彈性約束模擬最不利滑坡狀況下的巖土邊界，滑坡面為強風化和中風化交界面。計算參數取值如表3所示。

通過表4可以看出：（1）在樁基加固前4#基礎部分樁底反力超過了承載能力容許值，5#基礎部分樁底反力接近承載能力容許值（表中加粗部分），這是導致樁基偏位過大的主要原因;（2）加固前各樁底反力相差較大，使得基礎發生不均勻沉降，導致上部結構發生側傾的風險加大，加固后由于新增承臺的作用，使各樁受力更加均勻，且各樁反力均遠小于承載能力。

為了進一步驗證加固效果，提取5#墩處各樁基加固前后樁頂截面內力（如下頁表5所示）。通過表5可以看出：（1）同樁底反力對比結果類似，加固前各樁軸向力分布十分不均勻，而加固后軸力相對較均勻;（2）加固后的剪力和彎矩值雖然有一定程度的增加，但是均遠小于各樁抗力。產生增大的原因主要是由于加固后下部結構屬于偏心受壓。

2 工程驗證

上一節通過對樁基加固后的受力進行分析，發現通過“增加樁基、擴大承臺”的加固方式是可行的。為了驗證該加固方法的可靠性和樁基加固后受力分析的正確性，對依托工程的4#和5#樁基進行加固。加固施工中和加固后均對樁頂進行連續監測（監測點如圖9所示），其中4#墩樁頂加固后連續100d的監測結果如圖10所示。

樁頂位移連續監測結果和相應結論如下：（1）施工期間，橋墩位移偏移量較小，整體基本趨于穩定，說明加固過程中結構是安全的，施工方式是可靠的;（2）運營期間，樁基偏位基本不變，說明結構經過加固后趨于穩定，進一步驗證了加固方式的有效性，也說明了本文對樁基受力的分析是正確的。

3 結語

高速公路位于地質復雜的山區或巖層薄弱的泥巖地區十分常見，使得橋梁基礎發生偏位的概率大大增加。基礎偏位一旦過大，將直接影響橋梁的安全運行。本文依托某高速公路橋墩偏位過大、基礎需要加固這一工程實際問題，分別建立了橋梁的上部和樁基結構有限元模型，將上部結構得到的支反力結果帶入樁基結構模型中，進而獲得了加固前后樁基結構的受力狀態，并通過實際工程驗證了理論計算的正確性和基于“增加樁基、擴大承臺”加固方式的可行性。本文的研究結果可為類似工程提供經驗參考。