橋墩防護結構在堆載作用下的受力安全性分析

劉 浩

(中交第二航局工程局有限公司第五工程分公司，湖北 武漢 430014)

0 前 言

當前，我國的基礎設施建設規模正在持續擴大，在城市和農村都紛紛建立起了大量的橋梁工程。而對于已經處于運營狀態的橋梁而言，在后續有可能會面臨橋下修建公路等情況。在此情形下，受橋下工程的影響，將會對橋梁下部結構造成堆載作用，原本處于穩定運行的橋梁安全性減弱，甚至會引發安全事故[1]。因此，有必要圍繞橋墩防護結構在堆載作用下的受力安全性展開研究。

1 橋梁受損安全事故

近年來，因堆載作用而引發的橋梁安全事故諸多，對此本文進行了總結，具體如表1所示。

表1 橋梁受損安全事故

出現各類型橋梁事故后，多位學者對其展開了深入的研究。以宋寧為代表的團隊對橋梁結構損傷展開了探討，結果表明，在橋側堆載的作用下將會引發橋墩結構出現變形或者是損傷等問題；孫宗磊等則圍繞新建橋梁周邊土層所形成的附加應力展開探討，結果表明，在其作用下將會引發橋梁出現基礎沉降變形現象。本文對于既有橋梁填筑工程施工中所出現的堆載作用展開探討，明確其對于橋墩防護結構所帶來的受力機制。

2 工程概況

2.1 工程概況

北盤江特大橋是北盤江峽谷兩側的主要連接方式，橋梁總長度為1 261 m，其中主橋部分的中心樁號為K31+345，采用多跨徑組合的形式。主橋為預應力混凝土斜腿式連續剛構，引橋部分為簡支T梁。

主橋共由4個懸澆T連續梁組成，各自對應的規格不盡相同，其中最大懸臂長度達到了144 m，為主懸澆T，而次懸澆T的懸臂長度相對要小一些，為74 m。橋梁左右幅箱梁分幅設計，為單箱單室結構。

2.2 主要地質情況

根據地層巖性特征和巖土工程地質性質，從地表往下，共劃分以下幾個工程地質層，各層巖性特征具體如下。

1)第1層，角礫土、碎石土：黃褐、灰褐色，以角礫土為主，成分為玄武巖、灰巖，黏性土含量約占30%，稍密至中密狀。鉆孔揭露最大厚度為54.8 m。

2)第2層，角礫土、碎石土：黃褐、褐色，以角礫土為主，成分以玄武巖為主，弱黏性，松散至密實狀。鉆孔揭露最大厚度為12.4 m。

3)第3層，黏土、亞黏土：棕紅色為主，為玄武巖風化殘積土，具一般黏性土特點，含少量鐵錳質氧化物，硬塑狀為主。鉆孔揭露最大厚度為6.8 m。

4)第4層，全風化玄武巖：紅褐、黃褐色，原巖結構尚可辨認，裂隙面附鐵質氧化物，巖芯遇水易軟化，中密狀為主，局部夾少量原巖碎塊。鉆孔揭露最大厚度為24.3 m。

5)第5層，強風化玄武巖：灰褐、灰綠色，柱狀節理極發育，具有球狀風化物，裂隙面見有鐵質侵染，主要礦物成分為斜長石、橄欖石和輝石。巖性屬較軟巖，巖體極破碎。鉆探最大揭露厚度為69.3 m。

6)第6層，弱風化灰巖：淺灰、深灰色，隱晶質結構，薄至中厚層狀構造，含燧石團塊和條帶。節理裂隙發育，巖體極破碎至較破碎，巖石為較硬巖，巖溶發育。鉆探最大揭露深度62 m。

7)第7層，微風化灰巖：灰色、灰黑色，中厚層狀構造，含燧石團塊或條帶。巖體較破碎至較完整，巖石屬較硬巖，巖溶發育。鉆孔揭露最大厚度為53 m。

3 工程特點和技術難點

3.1 工程特點

1)工程整體規模較大，對技術水平提出了較高的要求。橋梁以290 m的跨度成為國內同類型中跨度最大的橋梁，在實際施工中對于技術水平提出了極高的要求。

2)工程所在區域環境較為復雜，道路以急彎陡坡為主，不利于原材料的運輸。

3.2 主要技術難點

1)挖孔灌注樁成孔難度大。項目所在區域的地質條件復雜，主墩位于北盤江岸邊斜坡上，由于呈階梯形狀，無法為施工提供較好的平臺，在展開基坑開挖作業前有必要采取防護措施。

2)受本工程特殊性的影響，加大了體積混凝土溫控工作的難度。

3)墩身模板支設難度大。受主墩高度偏大的影響，底部的各橋墩之間基于0.5 m厚薄壁做進一步的連接，這會明顯加大施工難度。此外，橫橋向基于1∶100的原則進行放坡，還需要將4個角設置為0.5 m的圓弧過渡形式。

4 護筒防護結構的構造

在對橋梁下方區域進行高回填作業的過程中，受回填土堆載的影響，極容易引發橋梁結構質量問題[2]。考慮到這一問題，有必要采取可行的防護措施，也就是在回填土與橋梁下部結構之間增設一個隔離裝置，以免橋墩受堆載的持續性影響，對此，本工程提出橋墩護筒結構方案。如果護筒不出現斷裂等不良情況，此時橋體則不會受到堆載作用。所使用的護筒結構可以有效地承受填土所形成的不均勻側向力，但此處并未考慮到高填土荷載的影響，因此，主要可以被應用于橋墩防護工作中，結構如圖1所示。

圖1 護筒結構示意圖

宜將護筒設置在橋墩周邊區域，但需要與橋墩形成一定的間隔。為上小下大的階梯護筒形式，且材料以鋼筋混凝土為宜。基于分層的原則展開護筒的澆筑施工。在進行土體回填操作時，應以均勻分層的原則做進一步的夯實處理，以免在回填過程中出現不均勻沉降等問題。如果各個墩結構之間設置有橫系梁，則需要為此增設一個護套結構，此舉可以有效地避免回填土直接作用到系梁的現象。

5 堆載作用下護筒結構分析

當使用護筒防護結構后，結束填土時護筒周邊所承受的土壓力將會呈對稱的狀態，而不均衡側向土壓力則集中在填土以及壓實這兩大環節中。基于護筒結果靜力分析，能夠進一步復核堆載過程中所形成的附加土應力，以便消除填土過程中的壓力不均衡現象[3]。

5.1 單個護筒的結構靜力分析

5.1.1 最不利分析荷載

全面分析荷載的影響，需要重點考慮到存在于最不利填筑土體所形成的附加土應力，且護筒兩側的0.5 m填筑高差也是需要重點考慮的內容。在填夯作業的過程中，考慮到因設備所帶來的護筒附加側壓力情況，又由于工程所在區域降雨偏多，還需考慮雨水所帶來的影響。當出現持續降雨時，則適當地改變土體內摩擦角，它應為正常狀態下的90%。

5.1.2 計算圖式

當處于最不利工況下，則將護筒視為懸臂樁受力狀態，但是受填土法的影響，護筒兩側需要形成高差，即右側比左側略高0.5 m為宜。

5.1.3 抗彎強度驗算及水平向裂縫寬度驗算

無論是展開抗彎強度還是水平裂縫驗算，此時存在于護筒兩側的土壓力都要被視為被動土壓力，在碾壓設備的作用下將會形成附加土壓力，此時在面對車輪荷載影響時，則將其視為主動土壓力。

以各截面的實際尺寸以及對應的配筋情況為基準，進而得到左、右側的土壓力值，在此基礎上圍繞承載能力極限狀態下護筒變截面處所形成的彎矩值M展開分析。考慮到短期效應組合的影響，分析此情況下開裂截面縱向受拉鋼筋的應力值σs，加之公路橋規進一步得到裂縫寬度的上限值。

5.2 填筑施工過程中堆載作用分析

5.2.1 參數選取

引入了Midas GTSNX有限元分析法，在此基礎上明確填土堆載以及機械荷載作用下所引發的橋墩護筒力學變化情況。模型對應的材料為砂性土，而土體部分則引入了理想彈塑性莫爾-庫侖模型，最后，護筒部分引入的是線彈性模型。

5.2.2 分析工況

基于填筑方式以及機械設備重量等多方面因素，進一步分析本工程的工況。

工況1：護筒底部原狀土為初始應力狀態。

工況2：澆筑鋼筋混凝土護筒。

工況3：以2 m為基準展開分層填土。

工況4：回填護筒埋深使用的是原狀土。

工況5：護筒兩側的填土存在0.5 m的高差情況，對于其中填土較高的一側，其對應的機械荷載則通過壓力荷載的形式逐步施加。

5.2.3 計算模型

基于填筑工程平場標高情況，在此基礎上明確與既有空間結構所形成的關系，加之所在區域的地質因素影響，圍繞鋼筋混凝土護筒以及巖體情況創建出對應的有限元模型，以便后續分析工作的持續進行。

6 結束語

1)本文基于既有橋梁堆載而提出了護筒結構防護方式，可以為工程創造穩定的環境，是一種較為可行的安全措施。

2)所使用的護筒結構的基本原理是實現對堆載的轉移，此時將會作用到與橋梁結構并不存在直接接觸的外圍防護裝置中，如果護筒不出現斷裂等問題，橋梁結構不會受到任何堆載作用的影響。

3)通過對堆載過程的分析可知，鋼筋混凝土橋墩護筒存在一個最不利工況，主要集中在堆載高度最大這一階段，此時無論是拉應力還是變形都相對較大。