河內抽砂對橋梁樁基的影響探析

郭慶超

（1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088，2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088）

1 概述

近年來，淮河部分河段采砂嚴重，造成了河床下陷、河岸坍塌。部分淮河大橋橋位附近地質調查資料與施工圖設計文件相應內容比較，發現主橋主墩及過渡墩附近河床下沉，造成原設計橋梁樁基及承臺外露，樁基持力層變少，直接影響橋梁下部結構的承載能力，危及橋梁安全。

針對此狀況，本文通過對抽砂區某淮河大橋主橋下部結構進行驗算，提出部分注意事項，以供類似工程參考。

2 工程概況

2.1 結構設計

橋梁上部結構為（98+180+98）m預應力混凝土部分斜拉橋，塔梁固結，單箱雙室截面，橋面寬度34.5m，主墩支點梁高6.0 m，過渡墩支點梁高3.5m。主塔高33.4m。下部結構主墩為花瓶式實體墩，主墩墩身橫橋向寬度為12.0m，順橋向寬度為5.0m。主墩承臺順橋向長度為22.85m，橫橋向寬度為29.1m，承臺高度為6.0m。主墩承臺下設置20根直徑2.5m的鉆孔灌注樁，摩擦樁設計。過渡墩為門式實體墩，承臺順橋向寬度為8.6m，橫橋向寬度為23.6m，承臺高度為3.0m。每個承臺下設10根直徑2.0m的鉆孔灌注樁，摩擦樁設計。

2.2 地質資料

本橋位于淮河漫灘及一級階地，不同的地貌單元地層巖性差異顯著。勘察資料顯示，在鉆探所達深度范圍內，場地地層可分為第四紀地層和前第四紀地層。第四紀地層為沖積成因，可分為全新統（Q4al）和上、中更新統（Q3al及Q2al）。其中第1～8層屬全新統沖積層，第9～11層屬第四系上更新統，第12～13層屬中更新統，隱伏于上更新統以下。前第四紀地層為白堊系上統張橋組（K2z）砂質泥巖、泥質砂巖、含礫砂巖、砂礫巖。

經調查，采砂主體為中更新統第12層中砂，該層在河床中分布穩定，厚度在13.00～13.50m之間，厚度大，是良好的天然砂料料場。第12層上覆土層受抽砂影響擾動，處于沉降狀態。

其中，主墩處受抽砂影響擾動地層總厚度約為31m，過渡墩受抽砂影響擾動地層總厚度約為40m。

3 計算模型建立

3.1 模型簡介

計算模型采用MIDAS/Civil有限元分析軟件建立。橋墩、承臺、樁基均采用三維梁單元進行模擬，材料特性按圖紙取用。其中樁-土相互作用通過土彈簧單元來進行模擬。

3.2 “m”法簡介

m法則假定水平地基反力系數隨深度成線性增加[6]。由文獻[1][5]中知，K=Cb1h，其中，b1為樁的計算寬度；h為單元的高度。地基比例系數C值的取值可按“m”法計算，即：

式中：m——地基土比例系數，kN/m4，不同土質m值不同；（取值參見文獻[2]）

Z——樁的入土深度，m。

由上可得：K=mZb1h

根據文獻[2]附錄P計算各墩樁基計算寬度如下：

各墩樁基計算寬度 表1

樁基計算長度表 表2

由文獻[2]附錄P，計算出樁基中樁的變形系數，再根據文獻[3]中附錄E中規定，結合各樁基沖刷深度，可計算出樁基的計算長度如表2。

主墩樁基節點彈簧支承剛度Ki 表3

模型中，樁基單元按1m長度劃分，同時假定土沿各向是同性的，即認為兩個方向的彈簧剛度相同[1]。

由上述公式計算可得模型中樁基節點彈簧支承剛度Ki。下表僅列出主墩樁基數據。

將上表中各地層處的換算彈簧支承剛度以彈性支撐約束的方式，建立下部結構MIDAS/CILVIL空間桿系有限元模型。

3.3 荷載組合

3.3.1 承載能力極限狀態

工況1：1.2恒載+1.4汽車

工況2：1.2恒載+1.4汽車+0.6（1.4制動力+1.4溫度作用）

其中，結構重要性系數r0=1.1。

3.3.2 偶然組合

工況 3：恒載 +船撞力（1000t）+0.7汽車 +（制動力+0.8溫度作用）

工況3-1：恒載+順橋向船撞力（1000t）+0.7汽車+（制動力+0.8溫度作用）

工況3-2：恒載+橫橋向船撞力（1000t）+0.7汽車+（制動力+0.8溫度作用）

其中，結構重要性系數r0=1.0。正常使用極限狀態相應荷載作用效應系數按規范進行取值[4]。橋墩設防船舶撞擊力標準如表4。

主橋橋墩設防船舶撞擊力標準 表4

其中，主墩1000t級船舶撞擊作用點在最高通航水位以上2.0m；過渡墩船舶撞擊作用點在最高通航水位以上1.0m，模型中按實際位置時行加載。

4 計算結果

4.1 樁基長度

經計算，標準組合3-1下，1#角樁單樁樁頂豎向力反力為最大值，取此值對樁基長度進行計算，得表。

樁基長度表（m） 表5

4.2 樁身強度

樁基在荷載作用下，角樁的受力最為不利。本文選取有各墩角樁受力最為不利的樁頂截面和嵌入土層截面進行強度驗算，下表分別列出受力最不利角樁計算結果。

樁基頂截面承載能力極限狀態驗算表 表6

樁基嵌入土層截面承載能力極限狀態驗算表 表7

由上述計算可知，過渡墩樁基在樁頂截面驗算中，荷載組合3-1時最為不利，Nu/Nd值為1.171，Mu/Md值為1.190。

主墩樁基在樁頂截面驗算中，在荷載組合3-2時最為不利，Nu/Nd值為1.330，Mu/Md值為1.352。

由上述計算可知，過渡墩樁基在樁基嵌入土層截面驗算中：在荷載組合3-1時最為不利，Nu/Nd值為1.220，Mu/Md 值為 1.217。

主墩樁基在嵌入土層截面驗算中在荷載組合3-2時最為不利，Nu/Nd值為 1.447，Mu/Md值為1.485。

5 總結及建議

①淮河部分區域砂層厚，埋置較深，河內抽砂作業對橋梁下部結構樁基影響較大，樁基長度明顯增加。

②河內抽砂作業導致樁基計算長度增加，在船撞力荷載作用下，樁基強度安全系數減小。

建議加強類似橋梁下部結構驗算的同時，應注重橋區采砂作業管理。橋梁施工及運營期間，應禁止在橋位上下游一定范圍內采砂，保證橋梁樁基周圍土層的穩定及完整性。