樁基不均勻沉降對橋梁上部結構影響及監測分析

摘要 橋梁樁基礎不均勻沉降是引發橋梁病害的主要因素之一，對橋梁上部結構的整體安全和使用性能均具有顯著影響。引起樁基不均勻沉降的因素較多，形成機理較為復雜，在橋梁設計與建造階段難以進行準確計算及有效控制。文章深入研究了樁基沉降的原理，探討了引發不均勻沉降的原因及其產生的不利影響，在此基礎上提出了不均勻沉降的監測與對應病害的預防處治措施，為橋梁工程師提供相應的技術參考。

關鍵詞 樁基礎；不均勻沉降；附加應力；變形監測

中圖分類號 U441 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0149-03

0 引言

樁基礎是將橋梁上部結構荷載傳遞到地基的構筑物。由于具有較高的承載力、良好的穩定性及適應性等優點，在橋梁工程中應用極為廣泛。作為一項地下工程，其成樁質量受成孔設備、施工條件、地層特性、地下水影響，以及作業人員經驗水平等影響，往往難以準確控制。樁基不均勻沉降作為主要病害之一，輕則導致橋面、護欄產生裂縫，嚴重時主體構件拉應力超限進而危及結構安全。由于不均勻沉降的發生非瞬時性，是一個長期發展的過程，且沉降量往往不易進行直觀判別，需依靠相應的監測設備才能獲得較為準確的數據。為有效減小橋梁上部結構病害，需在勘察設計、施工建造及通車運營階段，采取有效措施減少并控制不均勻沉降的發生，從而提高橋梁的使用壽命。

1 樁基沉降原理分析

樁基礎沉降原理涉及樁與周圍土體之間的相互作用，以及它們在荷載作用下的變形行為，其沉降量主要分為樁底持力層壓縮變形、樁端刺入土體深度及樁身壓縮三部分[1]。在最不利荷載工況下，當樁頂荷載超過樁側摩阻力時，樁端持力層將承擔較大的作用力。隨著持力層土體內孔隙水壓力的不斷消散，逐步轉化為有效應力，使土層孔隙減小引起體積收縮，從而發生樁端土體的壓縮變形。當樁基為端承樁或樁端平面內樁的中心距大于樁徑（或邊長）的6倍時，樁基的總沉降量可取單樁的沉降量；在其他情況下，需作為整體式墩臺基礎計算群樁沉降量。整體式群樁基礎沉降量可采用分層總和法進行計算；單樁、單排樁和樁中心距大于6倍樁徑的疏樁基礎沉降，均按照單向壓縮分層總和法進行計算，上述兩種情況下沉降總量已考慮樁身壓縮影響。分層總和法計算模型如圖1所示。圖中l為樁長（m）；Zi、Zi-1、Zn分別為第i層、i-1層和最終計算深度（m）；b為等效基礎寬度的一半（m）；ai、ai-1、an為第i層、i-1層和最終層評價的附加應力系數。

2 引起不均勻沉降的原因分析

2.1 勘察資料準確性

勘察資料準確性對于確保樁基質量起決定性作用，如果揭露土層信息有誤、未勘探出不良地質條件，則樁基設計方案不具備可靠性。在基礎設施蓬勃發展的背景下，項目工期往往較為緊張，從而導致勘探工作不充分、工程地質信息不完整、勘察精度不足等隱患存在，無法真實揭露場地的地質信息。加之巖土質自身成分復雜，具有各向異性的特點，而部分物理和力學指標是基于實驗與經驗的條件下獲得，從而導致勘察資料的準確性存在偏差。

2.2 設計方案合理性

路線方案、橋位布置的合理性，影響基礎的整體穩定性。橋位選擇時若未避開滑坡、坍塌、溶洞等不良地質段，將導致樁基沉陷，引發嚴重橋梁事故。樁基礎設計時需結合上部結構形式、場地地質條件、樁身承載力和穩定性需求等進行合理布置，以減少樁身不均勻沉降量。在同一橋梁基礎上若同時采用摩擦型樁和端承型樁，或將直徑與材料不同和樁端深度相差過大的樁設置在同一墩臺下，則會擴大樁基的沉降差。

2.3 施工質量可靠性

樁基成孔工藝與地質條件不匹配、孔內泥漿指標不達標，容易在護壁內形成泥皮，減弱樁側的摩阻力效應，降低樁基承載力，在運營階段易發生沉降。灌注樁基混凝土前若未清孔徹底，將導致孔底沉渣層較厚，在荷載作用下樁端將刺入泥層引起樁基下沉。處于回填區域的樁基，未待填土固結完畢后再實施樁基工程，在負摩阻力的作用下樁基將發生不均勻沉降[2]。改擴建項目由于相鄰墩臺建造時間不同，在不均勻沉降的影響下易造成橋面開裂、錯位等。

3 對橋梁上部結構影響

3.1 連接構件破壞

當相鄰墩臺間不均勻沉降差值使橋面形成大于2‰的附加縱坡（折角）時，橋上附屬設施如伸縮縫裝置、連續橋面、支座、護欄等構件無法適應其變形時，則會產生裂縫及破損。伸縮縫破壞后導致橋梁結構無法正常收縮變形，同時引起梁端漏水、行車噪聲增大及橋頭跳車現象。墩臺兩側梁體因沉降產生折角，導致橋面鋪裝層開裂，行車舒適度降低。當同一墩臺各樁基沉降不均時，產生橫向變形，蓋梁及系梁會因拉應力過大而產生裂縫，變形嚴重時會導致支座脫空，引起結構體系的變化。

3.2 結構受力變化

樁基礎的不均勻沉降由下部結構、支座傳遞到上部結構后，將引發梁體偏位和撓度超限，使主梁內力、應力和變形發生改變。梁體撓度超限后，當變形量超過混凝土彈性應變量時，混凝土即產生裂縫。裂縫的產生會形成侵蝕通道，導致鋼筋銹蝕，降低結構的承載能力。橫向大變形引起主梁扭轉、翹曲，產生較大的剪應力流，在剪應力較大處形成斜截面抗剪破壞[3]。若發生支座脫空，則引發結構內力的重分布，跨中彎矩和支反力急劇增大，原有配筋模式和配筋量將無法滿足承載力要求，對結構而言則是嚴重的安全隱患。

3.3 實例分析

（1）工程概況。某城市立交匝道橋，單向二車道，設計荷載城-A級。上部結構形式為預應力混凝土現澆連續箱梁，單箱雙室，跨徑組合為4×30 m；下部結構為樁柱式橋墩，肋板式橋臺，基礎形式均為樁基礎，樁徑1.5 m，樁長為25～35 m，持力層為強風化白云巖。除2號墩為固結支座外，其余均為活動支座，其結構模型簡化圖如圖2所示：

（2）不均勻沉降工況模擬。以基礎分別沉降5 mm、10 mm、15 mm、20 mm為工況進行最不利組合（如表1所示）模擬，研究其對第二跨跨中節點位置的內力影響效應，并利用Midas Civil有限元軟件進行建模分析。

（3）內力影響效應分析。在最不利沉降組合下，提取第二跨跨中處彎矩、剪力、應力和撓度的最大效應值，其計算結果如圖3所示。由圖可知，隨著不均勻沉降值等比增大，相應內力、應力及變形效應值隨之增大，并呈線性分布，具有一定的規律性。

4 樁基沉降監測方法

樁基礎沉降監測的目的是及時發現和評估基礎沉降情況，采取相應措施控制沉降速度，確保橋梁整體穩定性和安全性。

4.1 監測方法與技術

橋梁基礎變位往往難以通過肉眼識別，因此需要采用相應的技術手段獲取沉降值。傳統的監測方法主要有大地測量法和物理學傳感器方法等[4]。不同監測方法的優缺點詳見表2所示：

4.2 監測指標與測點布置

樁基沉降監測有豎向沉降、水平偏位、轉角及傾斜度等。通過豎向沉降可判斷樁身是否斷裂或地基是否發生較大的壓縮變形；水平偏位監測可了解樁基水平向的受力情況及地層的整體穩定性，尤其是位于河岸、山坡處的樁基。水平位移監測采用監測墩身底相對距離的方法，通過在墩底布設激光位移計測量樁頂水平變形。對于基礎沉降，可在承臺頂或系梁頂設置測點，采用精密水準儀法進行測量。樁身混凝土的壓縮變形和樁底持力層的壓縮層變形，可分別采用沉降計和應變計進行監測。智能弦式數碼應變計沿樁身均勻分布，每隔2 m布置一處；而沉降計則布置于樁底以下土層，影響深度按樁長的1/2進行控制。

4.3 超限閾值和報警

超限閾值分為三級，當監測數據超過各級閾值時，應同步報警。當基礎總沉降超過20L0.5 mm時，或相鄰墩臺總沉降差值超過20L0.5 mm時（L為相鄰墩臺最小跨徑，單位m），應啟動超限報警機制。

5 預防及處治措施

沉降的發生具有不可避免性，但可采取有效措施減小沉降量及沉降發展的速率，可通過以下方式進行預防和處治。

（1）加強選址與勘察的準確性。在工程初期，應對地基承載能力和土壤性質進行詳盡的調查和研究，避免選擇承載能力不均勻或土壤性質不一致的持力層。勘察報告所提供的樁基設計參數應準確無誤，確保設計的可靠性。

（2）充分優化設計方案。應嚴格遵循分層總和法進行沉降估算，并將其作為上部結構計算的依據。橋梁布置應保證相鄰墩臺反力差異適當，同一墩臺橋墩中心兩側的樁基礎應對稱布置且受力均勻。同時，根據地質條件選擇適合的樁基類型，優化墩臺身設計，改進樁基布局，以適應不同地質條件和減少沉降差異。

（3）加強施工管理及質量控制

樁基施工前應結合環境條件、土質情況等制定詳細的施工方案，并堅持先深后淺、先大后小、先長后短的順序，減小相鄰樁基的影響。在施工過程中加強對地基的監測和控制，及時了解地基沉降的情況，以減少不均勻沉降發生的可能性。

（4）樁基加固技術

對于已發生不均勻沉降的樁基，需進行沉降加固處理，以提高樁基的承載能力，減少或消除不均勻沉降，確保結構安全。常采用的處理方式有注漿法、置換法、扁擔樁法、樁基補強法等，對樁身、樁側土體及樁端持力層進行全面加固處理[5]。如基礎無加固條件，可對上部結構進行調整，改善樁基受力條件。對于處治完畢的樁基，應進行承載力和樁身質量復測，確保加固的效果符合設計要求。

6 結語

研究樁基礎不均勻沉降對準確分析橋梁上部結構的受力性能具有顯著意義，可減小施工階段和運營期間發生質量安全事故的概率。樁基設計時應選擇壓縮性小、承載力高、周邊地層穩定且無不良地質現象的區域作為持力層，加強施工質量控制，并采取適宜的監測手段實時監控沉降發生的變化率，建立超限閾值警報機制，全方位保障橋梁結構的安全。

參考文獻

[1]羅帥.橋梁工程設計中樁基沉降問題解析[J].黑龍江交通科技，2023（6）：73-75.

[2]陳琪.基礎不均勻沉降對橋梁結構力學性能的影響研究 [J].工程技術研究，2023（6）：220-222.

[3]閻玉菡，孫拴虎，李帥，等.橋梁基礎不均勻沉降對橋梁結構的影響[J]甘肅科技縱橫，2021（2）：35-38+58.

[4]覃梟雄.橋梁樁基礎變形監測與分析[J].西部交通科技，2022（10）：161-162+189.

[5]劉華峰.既有橋梁樁基礎樁底注漿加固分析[J].山東交通科技，2022（4）：96-97+109.

收稿日期：2024-08-18

作者簡介：鄭肇鑫（1990—），男，碩士研究生，工程師，從事橋梁設計工作。