橋墩傾斜偏位的仿真分析與處治

賴斌強(qiáng)

（廣東省南粵交通河惠莞高速公路管理處，廣東 廣州 510199）

0 引言

橋墩是橋梁中主要的承重結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的安全性直接影響整橋的安全與穩(wěn)定。基底軟土因受到不平衡作用力后發(fā)生沉降及較大側(cè)向變形的可能性較大，從而引發(fā)樁基處及臨近墩柱變形，影響橋梁持續(xù)運(yùn)營(yíng)。橋梁樁基直徑大、造價(jià)高，在表現(xiàn)出變形和偏位后幾乎不可能在原位重新成樁，故對(duì)橋墩樁基糾偏處理就顯得尤為重要。

1 工程概況

某橋梁左幅橋跨徑為3×30m+4×30m+3×30m，上部為預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)梁，橋面縱坡度2.5%，橋頭高差8.1m，橋?qū)?2.25m，兩側(cè)分別設(shè)置0.5m 寬的防撞護(hù)欄。左幅1～3墩和6～8墩為雙柱式墩，墩身圓立柱直徑1.0m，高8.5～13.5m，柱間距4.5m；柱頂部設(shè)置1.3m 高、1.6m 寬的蓋梁，柱下方灌注樁基礎(chǔ)直徑為1.2m，樁長(zhǎng)最大為24m，均采用摩擦樁形式。4、5墩為交接墩，均采用實(shí)體矩形墩形式，墩高12.5m，橫橋向和順橋向長(zhǎng)度分別為5m 和1.5m，墩身下方為7.3m 長(zhǎng)、5.2m 寬、2.0m 高的承臺(tái)。除左幅9臺(tái)為重型橋臺(tái)外，其余均采用輕型橋臺(tái)形式。該橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為公路-Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)荷載為汽車-20 級(jí)，掛車-100。

2 橋墩傾斜偏位檢測(cè)

對(duì)該橋梁左幅0臺(tái)～2墩、7墩～9臺(tái)橋墩偏位展開檢測(cè)，結(jié)果顯示，主梁及橋面系均無(wú)異常，0臺(tái)2個(gè)支座存在嚴(yán)重剪切變形，1墩2 個(gè)支座破損，其余支座全部脫落；8墩6 個(gè)支座破損，其余2 個(gè)支座全部脫落；9臺(tái)所有支座均局部脫空。蓋梁、墩柱、系梁并未表現(xiàn)出開裂、破損等病害，但是0臺(tái)、1及2墩、7及8墩蓋梁頂中心向河流側(cè)偏移0.045m、0.421m、0.110m、0.052m、0.234m，9臺(tái)相對(duì)位置偏移0.063m。1墩柱頂面出現(xiàn)1.8%的傾斜度，向河流側(cè)傾斜0.13m；8墩柱頂面則表現(xiàn)出0.68%的傾斜度，向河流側(cè)傾斜0.054m，其余墩柱頂面傾斜度均不超出《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80-1—2017）所規(guī)定的0.3%的限值。

3 數(shù)值仿真分析

結(jié)合實(shí)際勘測(cè)結(jié)果，該橋梁左幅1墩偏位最為嚴(yán)重，故以1墩為分析對(duì)象。1墩直徑為1.0m，左右墩高度均為8.5m，墩頂高程16.957m，樁徑1.2m，樁長(zhǎng)24m，樁底及樁土接觸面高程分別為-17.054m、8.5m；樁、柱、蓋梁均采用C30 混凝土。

3.1 模型構(gòu)建

應(yīng)用MIDAS/Civil 有限元程序建模，并采用Solid45 實(shí)體單元進(jìn)行土層內(nèi)摩擦角、黏聚力、膨脹角等材料單元模擬，并劃分不同材料屬性，確定參數(shù)值。橋墩下層規(guī)則填土采用六面體劃分，上層不規(guī)則填土以及蓋梁、系梁、柱、樁等則通過四面體劃分。有限元模型圍繞樁中心，橫橋向兩側(cè)、臨近河岸側(cè)均按照40m 確定，為降低邊界影響程度，模型尺寸大于樁徑。

3.2 數(shù)值分析

通過依次分析排查縱坡、施工、溫度、混凝土收縮徐變、活載、地質(zhì)條件等因素對(duì)墩柱偏位影響程度的大小以及與檢測(cè)情況的吻合程度，初步認(rèn)定為行車制動(dòng)、溫度、縱坡等是造成墩柱偏位的主要方面。為此，針對(duì)該橋梁左幅2、7墩展開橋梁在受到縱坡作用后偏位程度的數(shù)值模擬，并針對(duì)左幅3、6墩展開橋梁墩柱受到行車制動(dòng)力、溫度影響后的位移變化模擬。

3.2.1 縱坡作用

結(jié)合力學(xué)基本原理，通過手動(dòng)方式計(jì)算特定縱坡下上部主梁對(duì)橋墩所施加的水平力

F

和

F

，再將計(jì)算得到的水平力

F

和

F

施加于固定墩或交接墩墩頂，并進(jìn)行水平力作用后墩柱偏位值的計(jì)算，計(jì)算原理具體見圖1和圖2。圖中

L

為單幅橋長(zhǎng)，

V

為輔助變量，

G

為結(jié)構(gòu)自重力，

i

%為傾斜坡度，a 為

G

或

G

與

V

夾角。從圖中可以看出，在特定縱坡下，交接墩墩頂所承受的因結(jié)構(gòu)自重所施加的上坡向分力為

F

= sina×

V

=

G

×sina×cosa；在特定縱坡下固定墩頂所承受的因結(jié)構(gòu)自重所施加的下坡向分力為

F

=

G

×sina。

圖1 交接墩頂水平力計(jì)算原理

圖2 固定墩頂水平力計(jì)算原理

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，2墩支座安裝不平，按照所提出的交接墩頂水平力計(jì)算原理，交接墩主要承受上坡向水平力，結(jié)合橋梁設(shè)計(jì)圖中的參數(shù)取值，考慮單跨上部恒載和二期恒載后的橋墩結(jié)構(gòu)自重為4500kN，則交接墩頂上坡向水平力

F

=4200 ×0.045358×0.997890=190.4kN。在墩底固結(jié)的情況下，應(yīng)用MIDAS/Civil 有限元程序展開數(shù)值模擬，在縱向結(jié)構(gòu)自重分力的影響下，交接墩頂上坡向表現(xiàn)出132.8mm 的偏位。7墩支座存在安裝不平、卡死等問題，基本不具備滑動(dòng)功能，故采用固定墩頂水平力計(jì)算原理進(jìn)行分析。固定墩所承受的下坡向水平力為

F

，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，考慮單跨上部恒載和二期恒載后的橋墩結(jié)構(gòu)自重為4500kN，固定墩頂下坡向水平力

F

=4200×0.045358=190.6kN。在墩底固結(jié)的情況下，應(yīng)用MIDAS/Civil有限元程序進(jìn)行數(shù)值模擬，在縱坡自重分力影響下，7墩頂下坡向表現(xiàn)出73.1mm 的偏位。

3.2.2 溫度力作用

隨著橋梁運(yùn)行環(huán)境溫度的變化，溫度力表現(xiàn)出周期性變化趨勢(shì)，在其他橋梁運(yùn)行因素的影響下，支座和墩頂在梁體自重的制約下存在殘余位移，且這種殘余位移逐年累積。該橋梁所在地區(qū)年氣溫均值18.1C，極端最高、最低溫度分別為40.8C 和-3.9C，實(shí)測(cè)溫度17.6C。應(yīng)用MIDAS/Civil 有限元程序進(jìn)行橋墩墩柱在溫度升高23.2C 的過程中水平位移情況的數(shù)值模擬，根據(jù)分析結(jié)果，4和5交接墩分別表現(xiàn)出上坡向9.6mm 和下坡向12.1mm 的偏位。

3.2.3 制動(dòng)力作用

在行車制動(dòng)力的影響下，固定墩主要承受與行車向一致的水平力

F

，在該作用力下，固定墩必將產(chǎn)生行車向偏位；制動(dòng)力帶動(dòng)梁體與支座上鋼板向行車向滑動(dòng)，故在交接墩墩頂支座下必將產(chǎn)生反行車向水平力

F

，進(jìn)而使交接墩表現(xiàn)出反行車向偏位。

該橋梁?jiǎn)畏鶠閮绍嚨涝O(shè)計(jì)，結(jié)合《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015），在1 聯(lián)長(zhǎng)度上施加（3×30+10.5+260）×2×0.1 的制動(dòng)力，該制動(dòng)力未超出規(guī)范所規(guī)定的330kN 的設(shè)計(jì)值，故按330kN 取值；在2 聯(lián)長(zhǎng)度上施加（4×30+10.5+260）×2×0.1 的制動(dòng)力，該制動(dòng)力為372kN，超出規(guī)范所規(guī)定的330kN 的設(shè)計(jì)值，故按372kN 的實(shí)際值取值。按照《公路橋梁盆式支座》（JT/T391—2009）的規(guī)定，活動(dòng)支座摩擦系數(shù)按照0.03 取值，基于此，進(jìn)行恒載及溫度作用下支座靜摩阻力計(jì)算，結(jié)果見表1。根據(jù)表中計(jì)算結(jié)果，在縱坡作用、行車制動(dòng)力及溫度力的影響下，1墩頂推力＞靜摩阻力，支座出現(xiàn)滑移的可能性較大，為此應(yīng)解除梁體和該橋墩間順橋向約束，同時(shí)以支座摩阻力為節(jié)點(diǎn)荷載施加于墩頂和梁體，并確保制動(dòng)力方向和墩頂節(jié)點(diǎn)荷載作用方向一致。應(yīng)用MIDAS/Civil 有限元程序進(jìn)行數(shù)值模擬，在行車制動(dòng)力的影響下，4和5交接墩上坡向分別出現(xiàn)22.7mm 和12.0mm 的偏位。

表1 支座靜摩阻力計(jì)算結(jié)果

表1（續(xù)）

4 橋墩偏位原因及糾偏方法

4.1 橋墩偏位原因

結(jié)合有限元仿真分析及實(shí)際勘測(cè)結(jié)果，該橋梁所處區(qū)域土質(zhì)較差，以中等壓縮性重～中粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土～重粉質(zhì)壤土、砂礫卵石為主，且南岸淤泥質(zhì)土層厚度比北岸大，故南岸的1～2橋墩比北岸的7～8橋墩樁頂偏位嚴(yán)重，樁身也更為彎曲。該橋梁兩岸并未設(shè)置稱重限載設(shè)施，超載超限車輛頻繁通行，且兩岸河堤治理工程中攪拌樁開挖施工同時(shí)進(jìn)行，橋梁覆蓋層中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土屬于靈敏度較高土體，超載超限車輛通行及周圍攪拌樁施工所產(chǎn)生的震動(dòng)對(duì)土層擾動(dòng)大，使土體抗剪強(qiáng)度衰減，淤泥層表現(xiàn)出明顯的側(cè)向擠出效應(yīng)。這種側(cè)向推擠作用加重了橋墩樁基向河中心向的偏位。

4.2 糾偏方法

該橋梁橋墩傾斜偏位可以采用兩種糾偏方法：一是強(qiáng)制恢復(fù)法，即在墩柱側(cè)埋置地錨，借助鋼絲繩和手拉葫蘆向橋墩施加拉應(yīng)力，同時(shí)在墩柱另一側(cè)向樁頂系梁施加推力，促使樁柱回位。在以上過程中為防止出現(xiàn)超回位，必須在糾偏措施實(shí)施前進(jìn)行橋墩最大拉應(yīng)力值計(jì)算，在糾偏期間加強(qiáng)觀測(cè)，避免出現(xiàn)裂縫。這種糾偏方式所需水平力較大，并可能造成橋墩結(jié)構(gòu)損傷。二是應(yīng)力釋放法，即在墩柱偏位另一側(cè)靠近樁基處打設(shè)應(yīng)力釋放孔，并保證孔深大于軟土層影響深度，在樁側(cè)形成回位空間。待達(dá)到糾偏目的后及時(shí)通過砂礫回填應(yīng)力釋放孔，并加固地基。

4.2.1 打設(shè)應(yīng)力釋放孔

橋墩樁基偏位因不良地質(zhì)條件和外界荷載的作用而形成，該橋墩樁基偏向河流側(cè)，故在偏位嚴(yán)重的橋墩岸坡側(cè)打設(shè)9 個(gè)應(yīng)力釋放孔以釋放土層應(yīng)力，便于橋墩受到土壓力作用后起到糾偏效果。鉆孔工藝與鉆孔灌注樁相同，成孔后在孔內(nèi)填充袋裝砂卵石，并將適宜尺寸的竹籠下放至孔內(nèi)避免塌孔。應(yīng)力釋放孔的布置具體見圖3，孔與橋墩間距為1.5m，孔距1.0～1.25m，孔深12m，孔徑30cm。

圖3 橋墩應(yīng)力釋放孔（單位：m）

4.2.2 設(shè)置高壓旋噴樁并新增樁基承臺(tái)

考慮到橋址區(qū)淤泥層較厚且地質(zhì)條件復(fù)雜，故通過設(shè)置高壓旋噴樁，在進(jìn)行橋墩樁基糾偏的同時(shí)加固地基。具體而言，在偏位比較嚴(yán)重的橋墩四周設(shè)置115 根樁徑50cm、樁長(zhǎng)14m 的高壓旋噴樁，高壓旋噴樁的施工必將產(chǎn)生較大的擠土效應(yīng)，促使樁基回位。

結(jié)合橋墩偏位勘察結(jié)果，偏位較大的橋墩樁基已經(jīng)出現(xiàn)裂縫，故在完成高壓旋噴樁施工后還必須通過新增樁基承臺(tái)的方式托換偏位較大橋墩基礎(chǔ)。將4 根樁徑1.0m、樁長(zhǎng)同原樁的新樁布置在原橋墩兩側(cè)，保持新承臺(tái)底面與原系梁齊平，新增樁基承臺(tái)和原橋墩通過植筋方式連接，具體見圖4。所設(shè)置的樁基承臺(tái)分兩次澆筑，第一次澆筑外側(cè)，待完成橋墩頂推糾偏后再澆筑承臺(tái)中間。

圖4 橋墩新增樁基承臺(tái)側(cè)立面（單位：m）

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文分析出的支座施工時(shí)未調(diào)平處理、縱坡較大、溫度力及行車制動(dòng)力等造成橋墩傾斜偏位的原因符合橋梁實(shí)際，所提出的橋墩傾斜偏位處治方案也得到橋梁管理部門的認(rèn)可和采納。為避免類似病害情況的再次發(fā)生，橋梁管理部門必須加大對(duì)縱坡橋梁支座運(yùn)行過程的監(jiān)管和定期養(yǎng)護(hù)，變事后防治為事前預(yù)防和事中管控。