軟土地區地面堆載對橋梁下部結構的影響分析

王曉佳 張啟偉

（同濟大學土木工程學院，上海200092）

0 引 言

工程中的大面積堆載是一種常見的現象，然而長期以來，其產生的危害始終未能引起足夠的重視，因地面堆載導致土體擾動、造成既有結構損壞的事故時有發生［1-4］。

研究表明，地面大范圍堆載會對周邊橋梁墩臺及基礎產生兩方面的不利影響：其一，樁周土體產生側移，引起樁身撓曲，樁身承受過大的彎矩出現混凝土開裂，同時承臺基礎產生過大的水平位移及扭轉，橋墩產生過大的傾斜造成上、下部結構在支座處產生偏移，嚴重時支座結構不能正常使用；其二，大范圍堆載會在樁周產生負摩阻力，增加樁的豎向荷載并使基礎產生顯著的不均勻沉降，對超靜定結構形式的主梁將產生較大的附加力，影響結構安全［5］。

本文以某軟土地區橋梁為例，運用Midas GTS NX軟件建立三維數值分析模型，分析地面堆載對橋墩基礎造成的沉降及側移的影響，并將模擬計算結果與現場實測數據進行對比，驗證模擬計算的合理性，依據計算及現場驗證結果確定基礎加固與否的判斷標準，根據該標準制定了橋墩、基礎、主梁及支座的修復方案，為同類不良堆載情況的安全評估及修復提供借鑒和參考。

1 工程概況

本工程位于某軟土地區一立交橋的匝道處，因周邊新建項目的大范圍開挖，將廢棄渣土堆積至該匝道橋梁所在區域。測量顯示堆土區域總體呈橢圓形狀，堆土范圍南北方向長約120 m，東西方向寬約110 m，堆土面積約9 900 m2，堆土平均高度4 m，局部接近8 m，總土方量約39 000 m3，堆土范圍與橋梁結構的平面關系如圖1所示。

圖1 橋梁與堆載平面位置關系Fig.1 Plane position relationship between bridge and mounds

廢棄渣土堆放時，忽視了大面積、高堆載對現有軟土地基的影響，堆載產生的附加壓力導致該區域軟弱土體出現水平移位和豎向沉降，造成該匝道橋16#～22#橋墩出現不同程度的傾斜和下沉。在19#墩伸縮縫處由于主梁與橋墩產生相對水平移位，引起西側支座外移22 cm，支座2/3 范圍處于脫空狀態，如圖2 所示，繼續發展將有落梁的風險，存在較大的安全隱患；檢查同時發現東西側兩聯主梁端部在19#墩伸縮縫處產生了6.5 cm的錯臺現象。發現橋梁險情后，相關人員隨即在19#墩處加設臨時支撐措施，對主梁加設橫向限位裝置，再分層卸載匝道范圍內的堆土，并同步進行橋墩的沉降和傾斜監測。

圖2 支座移位及脫空Fig.2 Bearing offset and disengagement

受堆土影響范圍內的橋梁為兩聯跨徑組合為［（22.5 m+25 m+22.5 m）+3×25 m］的混凝土連續梁橋，橋墩為獨柱墩結構，墩高為14.4～15.9 m，橋墩基礎均采用6 根直徑60 cm 的PHC 管樁。堆土影響范圍的橋梁立面布置圖如圖3 所示。堆土范圍內的土層主要物理力學性質見表l。

2 數值分析

2.1 計算模型

現場實測表明堆土影響范圍內，17#～20#墩沉降量（或側移量）較大，因此對17#～20#橋墩立柱、承臺及樁基結構按實際尺寸建立三維有限元模型，所采用的材料參數依據竣工圖紙資料選取。

根據圣維南原理［6］，地面堆載對周邊應力影響范圍在堆土范圍的3～5 倍，因此選取土體模型的計算尺寸為360 m×360 m×60 m（厚度）。分析模型的豎向底部采用全自由度約束，側面采用法向約束。模型中采用六面體實體單元對土體、立柱、承臺進行模擬，樁基礎采用梁單元進行模擬。模型節點總數55 058個，單元總數59 571個，計算模型如圖4所示。

圖3 橋梁立面布置（單位：m）Fig.3 Elevation view of the bridge（Unit：m）

表1 土層土體基本參數Table 1 Soil constitutive parameters of soil layers

圖4 有限元計算模型Fig.4 Finite element calculation model

將上部結構荷載（主梁荷載、鋪裝及防撞墻等二期恒載）換算為豎向集中荷載，加載至每個橋墩墩頂部位，集中荷載大小為5 300～5 600 kN。將現場實測堆土體積按重量換算成均布荷載，加載至模型中對應的區域，換算均布荷載為55～140 kN/m2。

2.2 計算荷載步

地基土層經過長時間的堆積荷載后已經固結完畢，模型分析時首先平衡地應力，將土體沉降完成的狀態作為初始狀態，再進行后續結構的分析計算。模型計算分析步驟如表2所示。

表2 模擬計算步驟Table 2 Simulation calculation step

2.3 計算結果分析

17#～20#墩基礎沉降及側移的模擬計算結果如圖5 所示。計算和實測的承臺沉降及側移比較如圖6 所示。計算和實測結果均表明大范圍地面堆載會使橋梁下部結構產生顯著的沉降，且堆土高度越大沉降值也越大，堆土產生的既有結構最大沉降發生在19#墩處，承臺處實測沉降值為10.4 cm；堆土同時引起橋墩基礎發生側移，在不均勻堆土區域和堆土的邊坡附近影響較為明顯，堆載產生的既有結構最大側移位于18#墩處，承臺實測側移達38.9 cm。計算同時表明，18#墩處樁身最大拉應力發生在距承臺底面約1.2 m處，為14.4 MPa，遠超出混凝土抗拉極限強度，表明樁身已破壞。

圖5 模擬計算結果Fig.5 Results of the simulation

圖6 承臺沉降及側移Fig.6 Settlement and horizontal displacement of the caps

計算結果顯示，當承臺側移達到16.5 cm 時，樁基極限抗力剛好滿足規范要求［7］。對現場部分樁基進行局部開挖驗證，發現實際情況與計算結論基本相符。因此，以承臺側移量是否超過16.5 cm作為該橋樁基礎加固與否的評判標準。

3 橋梁修復

橋梁檢測及評估結果表明，需盡快對該橋實施修復工作，以消除結構安全隱患，恢復橋梁的正常使用。

3.1 橋梁修復實施原則

（1）部分橋墩基礎沉降及側移較大，對應的樁基礎已破壞，墩梁相對移位較大且有落梁的風險，應對樁基礎進行加固，對梁體進行頂升和糾偏復位，對滑移過大的支座進行重新安裝或更換，使橋梁恢復到正常使用狀態。

（2）由于匝道橋交通壓力大，維修、加固過程中需盡量保持交通不中斷，減少對車輛通行的影響。

（3）處置后的效果需達到原有結構的設計承載力，且不能降低交通營運的能力和質量。

3.2 基礎及橋墩立柱加固

根據樁基礎加固判斷標準，17#～19#墩承臺偏移超限，樁基礎已破壞需要進行加固，以往類似的工程中主要采用承臺糾偏及樁基加固的方式進行處理。承臺糾偏通常利用完整性較好的巖體提供反力支撐，采用預應力錨索進行糾偏加固，本工程所在軟土地區無可靠的錨固點，因此加固采用新建承臺及樁基的方案。現場實測表明，橋墩立柱最大傾斜度為0.3%，傾斜未引起墩身出現明顯病害，立柱變形仍以整體平移和轉動為主，除19#墩外，其余橋墩立柱仍可利用無須加固。對位于伸縮縫處的19#墩，可通過增大立柱斷面尺寸的方式進行加固處理。具體過程如下：

17#～19#橋墩處新建直徑為100 cm 的鉆孔灌注樁，單個承臺兩側共設置4 根，采用GPS15 循環鉆機進行成孔施工，導管法進行混凝土灌注。在原橋墩承臺頂面新建承臺構造，采用明挖基坑法進行施工，基坑開挖完成后進行樁頭破除和墊層澆筑，新老承臺之間和新承臺與既有橋墩立柱之間，采用植筋工藝加強連接，重點做好新老混凝土結合面的鑿毛處理，以確保結合面的連接質量。對19#橋墩立柱截面進行加大，將橋墩立柱由原截面180 cm×180 cm 加大至250 cm×250 cm，施工時在原有立柱表面進行植筋，作為立柱加強箍筋的連接鋼筋，保證新老結構可靠連接。

3.3 梁體偏位調整及支座更換

實測主梁線形表明，16#～19#墩范圍主梁側移量較大，是造成19#墩伸縮縫處主梁與相鄰梁段間產生錯臺的主要原因，需要對該聯連續梁進行梁體偏位的糾正，實測19#～22#墩范圍主梁側移量較小，不再進行梁體位置調整。17#、19#墩處球形鋼支座縱向滑移量遠超出設計位移限定的10 cm，因此還需對支座的縱向支撐位置進行調整。另外，18#～20#墩處基礎沉降量較大，橋墩之間最大差異沉降達6 cm，使上部結構連續梁產生較大的附加內力，顯著降低了主梁的承載能力，需對主梁的支撐點高度進行調整。具體實施過程如下：

對17#～19#墩處主梁進行逐一頂升后，在原支座下方設置四氟滑板以便于梁體糾偏，在17#～19#墩的墩頂安裝糾偏鋼牛腿和糾偏千斤頂，割除墩頂處原主梁橫向限位擋塊，完成糾偏準備工作，對橋面交通進行臨時封閉后，通過糾偏千斤頂同步加載對梁體偏位進行調整，待梁體復位完成后，重新安裝主梁限位裝置。再對17#～20#墩處支座進行更換，支座更換不需要封閉交通，橋面車輛可正常通行，支座更換采用同步頂升工藝，每次進行一個墩的支座更換。為減小支座偏移對橋墩立柱的偏心作用，新安裝的支座以混凝土箱梁下墊石原支座上鋼板為準，并在縱、橫方向加以適當的調整，確保滿足施工安裝要求和橋墩受力要求。針對18#～20#墩處基礎沉降較大的情況，通過增設墩頂支座預埋鋼板進行支撐高度的調整，從而達到恢復主梁支撐點高度的目的。

3.4 修復效果評價

橋梁維修及加固實施后的實測結果表明，與堆載前相比，主梁平曲線最大偏差小于2.0 cm，主梁墩頂處的高程偏差小于1.0 cm，19#墩伸縮縫處主梁與相鄰梁段間錯臺小于0.5 cm。維修、加固完成后的12 個月監測數據顯示，基礎最后100 天的最大沉降速率小于0.01 mm/d，認為已達到規范［8］的沉降穩定測試要求；該橋承臺最后1個月內側移量小于0.1 mm，承臺累計側移量小于3 mm，基本穩定，修復效果良好。

4 結 語

本文以某軟土地區匝道橋處土體堆載為背景，模擬分析堆載對既有橋梁沉降及側移的影響，結果表明，大范圍、高堆載將使基礎產生較大的沉降及側移，而軟土地區堆載引起的基礎側移更為顯著，是造成樁基破壞的主要原因，通過理論計算結合實測驗證，制定了樁基加固與否的評判標準。結合軟土地區的工程特點，制定了基礎及橋墩的加固方案、梁體偏位調整及支座更換方案，維修實施后經后期監測表明維修效果較好，橋梁結構已恢復至較好狀態?，F場檢測與監測表明，該橋樁基的模擬計算與評判方法有效可行，維修方式適宜，對同類工程具有借鑒作用。

然而，橋梁管養部門應高度重視地面堆載對橋梁結構的影響，在役橋梁結構周邊的工程施工時，應盡量避免將棄方堆于橋梁墩臺周圍，若不可避免時，則必須嚴格控制堆載的范圍及方量，避免堆土引起橋梁災害事故的發生，防患于未然。