咬合樁加固橋梁病害基礎(chǔ)效果及應(yīng)用分析

■尚文杰

（新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，烏魯木齊 830000）

水中橋墩由于常年承受水流沖刷的作用，需要定期進行維修加固，以消除橋梁基礎(chǔ)病害帶來的安全影響。 咬合樁作為一種成熟的支護圍擋結(jié)構(gòu)，在深基坑圍護結(jié)構(gòu)當(dāng)中得到了廣泛應(yīng)用，也有學(xué)者提出將其應(yīng)用到橋梁墩體加固之中[1-3]。 魯昭[4]以某橋梁基礎(chǔ)加固為研究對象， 采用咬合樁加固方法，重點介紹了鋼筋混凝土咬合樁設(shè)計特點和相關(guān)施工工藝。 王軍生[5]以某鐵路工程既有橋梁加固防護設(shè)計為研究對象，通過現(xiàn)場試驗證明了該加固方法的有效性。 趙暉等[6]通過介紹鉆孔咬合樁和人工挖孔咬合樁兩種圍護結(jié)構(gòu)咬合樁施工技術(shù)，從施工技術(shù)、結(jié)構(gòu)型式和應(yīng)用特點等方面進行了詳細說明，并將二者在工程中進行了應(yīng)用分析。 本文以某橋梁病害墩體基礎(chǔ)加固為研究對象，采用數(shù)值模擬方法對咬合樁加固橋墩和橋梁擴大基礎(chǔ)效果進行了分析，研究結(jié)果可為類似工程設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

某鋼混拱橋工程，全長645.6 m，3～6#橋墩處于水中，因建設(shè)年代久遠，橋梁4# 墩基及其擴大基礎(chǔ)常年受河水沖刷腐蝕嚴重，擬采取咬合樁進行橋梁擴大基礎(chǔ)加固。 根據(jù)地勘資料，4# 橋墩位置處土層從上至下依次為卵石層、細砂層和粉砂巖，卵石層和細砂層厚度依次為5.6 m 和5.3 m，其中粉砂層作為持力層。 如圖1 所示，咬合樁分為I 類樁和II 類樁，長度均為12 m，直徑均為1 m，最大咬合寬度為0.2 m，橋墩擴大基礎(chǔ)由兩部分組成，上、下尺寸分別為5.8 m×12.8 m×1.5 m 和6.8 m×13.4 m×1.5 m。

2 有限元模型建立

2.1 模型建立

采用PLAXIS 軟件進行土體和橋墩結(jié)構(gòu)建模分析，如圖2 所示，土體模型尺寸為：長60 m、寬60 m和高28 m。 橋墩和擴大基礎(chǔ)模型采用實體單元建立，咬合樁采用板單元建立，咬合樁長度均為12 m，直徑均為1 m，最大咬合寬度為0.2 m，為了簡化計算，將咬合樁按照等效剛度原理轉(zhuǎn)換成0.89 m 厚的地下連續(xù)墻進行分析計算。 咬合樁I 類樁和II 類樁均采用C30 混凝土，橋墩和擴大基礎(chǔ)采用C40 混凝土，計算時在橋墩上方施加均布荷載來模擬橋梁上部結(jié)構(gòu)的荷載影響。

2.2 參數(shù)賦值

表1 和表2 分別給出了土體和混凝土的物理力學(xué)參數(shù)。

表2 混凝土相關(guān)力學(xué)參數(shù)

2.3 模擬流程

本文模擬過程中，共分為6 個階段，每個階段對應(yīng)的模擬內(nèi)容如圖3 所示。 其中第3～5 階段為咬合樁加固橋梁模擬階段，第6 階段為考慮最不利情況下的模擬階段，即粉砂巖以上土體被完全沖刷掏空。

圖3 模擬施工流程圖

3 咬合樁加固橋梁基礎(chǔ)分析

3.1 不同施工階段的咬合樁位移分析

對咬合樁施工過程中的位移進行分析，不同施工階段咬合樁沿樁身的最大變形曲線如圖4 所示。由圖4 可知，在施工階段3，此時咬合樁不受水平力的影響，因此樁身水平位移基本為0 mm；在施工階段4，咬合樁承受土壓力的影響，從樁底至樁頂位移不斷增大，基本呈現(xiàn)出線性增大的趨勢，在樁頂處最大水平位移為1.86 mm；在施工階段5，咬合樁沿樁身水平位移曲線相對于施工階段4 基本沒有發(fā)生變化。 在施工階段6，即考慮最不利工況時，咬合樁水平位移迅速增大，在樁頂水平位移達到最大值7.42 mm。 根據(jù)JGJ94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，樁頂水平位移允許值為10 mm，因此，在考慮最不利工況下的咬合樁水平位移小于規(guī)范允許值。

圖4 不同施工階段咬合樁變形曲線圖

3.2 咬合樁內(nèi)力分析

對咬合樁內(nèi)力是否滿足要求進行分析，施工階段6（即最不利工況下）咬合樁等效連續(xù)墻沿咬合樁長度方向彎矩變化曲線如圖5 所示。 由圖5 可知，從樁底到樁頂彎矩先增大后減小， 在距離樁頂7.65 m位置處咬合樁彎矩最大，彎矩最大值為526.84 kN·m。

圖5 沿咬合樁長度方向彎矩變化圖

按照文獻[4]中算法理論，對咬合樁彎矩標準值進行計算， 計算得到I 類樁和II 類樁的彎矩標準值，如式（1）和式（2）所示。

式中：M1和M2分別為咬合樁圍護結(jié)構(gòu)中I 類樁和II 類樁的彎矩標準值，單位是kN·m；M 為咬合樁換算為圍護結(jié)構(gòu)墻體每延米的墻身彎矩標準值，單位是kN·m/m；r1和r2分別為咬合樁圍護結(jié)構(gòu)中I類樁和II 類樁的樁身半徑， 取0.5 m；n 表示I 類樁和II 類樁對x 軸慣性矩比值，即n=I1/I2；a 為I 類樁和II 類樁截面最大咬合寬度，取0.2 m。

根據(jù)GB50010-2019《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，計算圓形截面鋼筋混凝土抗彎承載力按照式（3）和（4）進行計算。

式中： fy為鋼筋抗拉強度設(shè)計值； fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值；A 為構(gòu)件截面面積；α 為圓形截面受壓部分圓心角與2π 之間的比值。

該工程中咬合樁鋼筋規(guī)格為HRB400， 結(jié)合混凝土參數(shù)計算得到咬合樁的抗彎容許值，如表3所示。

表3 咬合樁彎矩計算

同理，采用模擬的方法計算得到咬合樁等效連續(xù)墻最大剪力值為560.8 kN，按照文獻[4]中算法理論，對咬合樁剪力標準值進行計算，計算得到I 類樁和II 類樁的剪力標準值，如式（5）和式（6）所示。

式中：V1和V2分別為咬合樁圍護結(jié)構(gòu)中I 類樁和II 類樁的剪力標準值，單位是kN·m；V 為咬合樁換算為圍護結(jié)構(gòu)墻體每延米的墻身剪力標準值，單位是kN·m/m；A1和A2分別為咬合樁圍護結(jié)構(gòu)中I 類樁和II 類樁的截面積，單位是m2。

表4 給出了咬合樁剪力計算表，綜合表3 和表4可知， 計算得到的咬合樁抗彎和抗剪安全系數(shù)均大于2，說明咬合樁結(jié)構(gòu)的抗彎和抗剪能力均能滿足規(guī)范要求。

表4 咬合樁剪力計算

3.3 不同施工階段的橋梁擴大基礎(chǔ)沉降分析

對咬合樁加固橋梁施工過程中橋梁擴大基礎(chǔ)沉降進行分析，咬合樁不同施工階段橋梁擴大基礎(chǔ)沉降曲線如圖6 所示。 由圖6 可知，施工階段3 時橋梁擴大基礎(chǔ)沉降值最小，為1.86 mm；施工階段4和施工階段5 時的橋梁擴大基礎(chǔ)沉降值基本相同，分別為7.02 mm 和7.03 mm； 施工階段6 時的橋梁擴大基礎(chǔ)沉降值最大，值為10.74 mm。綜上可知，在咬合樁整個施工過程中，僅引起橋梁擴大基礎(chǔ)發(fā)生7.03 mm 的沉降， 且當(dāng)考慮最不利情況時的橋梁擴大基礎(chǔ)沉降值也不超過11 mm，說明咬合樁施工對既有橋梁墩基整體擾動影響較小。

圖6 不同施工階段時橋梁擴大基礎(chǔ)沉降

4 結(jié)論

本文以某橋梁病害墩體基礎(chǔ)加固為研究對象，采用數(shù)值模擬方法對咬合樁加固橋墩和橋梁擴大基礎(chǔ)效果進行了分析，得到以下結(jié)論：

（1）咬合樁施工完成后，從樁底至樁頂位移基本呈現(xiàn)出線性增大的趨勢，在樁頂處最大水平位移為1.86 mm；考慮最不利工況時，咬合樁樁頂水平位移最大值為7.42 mm，滿足規(guī)范允許值要求。

（2）最不利工況下的咬合樁等效連續(xù)墻彎矩從樁底到樁頂先增大后減小，在距離樁頂7.65 m 位置處咬合樁彎矩最大，彎矩最大值為526.84 kN·m。按照GB50010-2019《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算得到的最不利工況下的咬合樁抗彎和抗剪安全系數(shù)均大于2，說明咬合樁結(jié)構(gòu)的抗彎和抗剪能力均能滿足規(guī)范要求。

（3）在咬合樁整個施工過程中，引起橋梁擴大基礎(chǔ)發(fā)生7.03 mm 的沉降，且當(dāng)考慮最不利情況時的橋梁擴大基礎(chǔ)沉降值也不超過11 mm，說明了咬合樁施工對既有橋梁墩基整體擾動影響較小。