柱式橋墩樁基在河床開挖前后的受力分析及病害處理建議

楊 智

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031）

1 工程概況

成都天府新區(qū)正公路某大橋，為跨越府河大橋，橋長287.6 m，孔跨布置為：2×30 m+2×50 m+4×30 m。橋梁寬度為19.5 m+23 m+19.5 m=62 m，采用三幅分修，每幅之間設(shè)2cm縱縫，并設(shè)置彈性伸縮縫。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力簡支T梁，下部采用三柱式橋墩和重力式橋臺，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。樁基嵌入中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層。墩柱采用C35混凝土，樁基采用C30混凝土。30 m跨墩柱直徑1.4 m，樁基直徑1.6 m；50 m跨墩柱直徑2.0 m，樁基直徑2.2 m。樁基采用鉆孔灌注施工。

該橋所在的府河兩岸為正興鎮(zhèn)范圍，原為自然寬淺式“U”型河道，河道較順直，兩岸均為自然河岸。橋軸線與河道縱軸正交。該道路為城市主干路；荷載等級為城-A級。橋墩橫斷面見圖1所示。

近期由于河道及沿岸景觀改造，挖掘河床導(dǎo)致該橋5#～7#橋墩樁基部分外露，并發(fā)現(xiàn)部分外露樁基有傾斜、柱樁錯位的現(xiàn)象。為此，依據(jù)現(xiàn)場實測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對部分傾斜超限或柱樁錯位的樁基開挖前后進(jìn)行了受力分析和計算，包括開挖前后單樁軸向受壓承載力的驗算，為病害處治措施提供依據(jù)，為今后天府新區(qū)類似情況樁基的設(shè)計及后續(xù)問題的解決提供一些參考和借鑒。

2 樁基病害原因分析

從開挖后所見現(xiàn)場并結(jié)合實測情況可知，部分樁基傾斜度已超過規(guī)范規(guī)定值1%，另外還有一樁基出現(xiàn)柱樁錯位的現(xiàn)象。經(jīng)調(diào)查分析，出現(xiàn)以上情況的原因主要是施工造成的。由于樁位偏差錯誤導(dǎo)致樁基傾斜和錯位現(xiàn)象。

3 計算內(nèi)容及要點

根據(jù)該橋的地勘情況、結(jié)構(gòu)設(shè)計和橋墩樁基的結(jié)構(gòu)特點，采用MIDAS CIVIL建立有限元模型，對5#橋墩、右邊幅7#橋墩樁基按照設(shè)計荷載等級（城-A）進(jìn)行開挖前后受力分析和計算，并對河床開挖前后的單樁軸向受壓承載力進(jìn)行驗算。下面以開挖后傾斜度最大、樁基外露高度也較大的右邊幅5-1#樁基為例介紹相關(guān)計算要點。

3.1 計算模型

計算的荷載主要分為恒載和活載。恒載包括主梁、橋面鋪裝、水管線、人行道、欄桿和綠化帶等，恒載作為靜力荷載作用在橋上，然后根據(jù)杠桿法算得每片T梁支座所分得的荷載值，并以節(jié)點荷載的形式作用在蓋梁上支座的相應(yīng)位置。汽車和人群活載根據(jù)在支座處的橫向布置根據(jù)杠桿法的影響線值進(jìn)行最不利布置，然后求得每片T梁支座所分得的荷載值，同樣以節(jié)點荷載的形式作用在蓋梁上支座的相應(yīng)位置。制動力根據(jù)支座與橋墩的抗推剛度集成情況來分配和傳遞制動力，也以節(jié)點荷載的形式作用在蓋梁上支座的相應(yīng)位置。

利用MIDAS CIVIL建立有限元模型，模型采用梁單元進(jìn)行模擬，樁土作用采用“m”法進(jìn)行模擬。

右邊幅5#墩開挖前、后樁基模型見圖2所示。

3.2 計算參數(shù)

所計算樁基的上部結(jié)構(gòu)采用30 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，左、右邊幅橫向由9片T梁組成，中幅橫向由10片T梁組成，橋面鋪裝為10 cm厚混凝土+10 cm厚瀝青混凝土；下部結(jié)構(gòu)采用三柱式圓柱橋墩、樁基礎(chǔ)，以中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖作為持力層。橋墩及樁基基本信息見表1所列。

圖1 橋墩橫斷面圖

圖2 右邊幅5#墩開挖前、后有限元模型示意圖

表1 橋墩及樁基基本信息表（單位：m）

3.3 最不利軸力Nmax和最不利彎矩Mmax的確定和計算

根據(jù)橋墩偏心受壓的特點，上部結(jié)構(gòu)活載作用形式可分為最不利軸力、最不利彎矩兩種受力情況。根據(jù)原設(shè)計圖紙和《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ 11-20111）及《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTGD60-2004）規(guī)定，可得左邊幅車道集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值，均布力標(biāo)準(zhǔn)值，并計算得設(shè)計人群荷載。

3.3.1 右邊幅5-1#樁基最不利軸力Nmax的計算

考慮該橋墩縱向相鄰跨車道荷載對稱加載，橫向按最不利情況根據(jù)設(shè)計車道數(shù)布置車輛荷載的車輪位置，通過杠桿原理求得各梁的橫向分布系數(shù)，從而計算出各支反力作為最不利軸力活載加載于蓋梁上，而恒載按本文3.1節(jié)所述方法加載于蓋梁上，可計算得出該樁基最大軸力下的樁底反力。

3.3.2 右邊幅5-1#樁基最不利彎矩Mmax的計算

3.3.2.1 恒、活載的計算

考慮該橋墩縱向相鄰單跨車道荷載不對稱加載，橫向按最不利情況根據(jù)設(shè)計車道數(shù)布置車輛荷載的車輪位置，通過杠桿原理求得各梁的橫向分布系數(shù)，從而計算出各支反力作為最不利彎矩活載加載于蓋梁上，而恒載同樣按3.1節(jié)所述方法加載于蓋梁上。

3.3.2.2 制動力的計算

制動力根據(jù)《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ 11-20111）及《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTGD60-2004）規(guī)定，對于橋墩來說制動力的著力點在支座處，按最大軸力情況來計算汽車荷載的制動力。根據(jù)支座與橋墩的抗推剛度的集成情況來分配和傳遞制動力。分別求得左邊幅5#墩在河床開挖前后，不同車道下每個支座所分得的縱向水平制動力。

通過以上荷載的加載，從而計算出右邊幅5-1#樁基最不利彎矩Mmax。

4 樁基在河床開挖前后的計算結(jié)果及分析比較

4.1 單樁軸向受壓承載力驗算

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG D63-2007）5.5.3條規(guī)定及該橋地質(zhì)資料，對右邊幅5-1#樁基開挖前后進(jìn)行單樁軸向受壓承載力的驗算。

地質(zhì)資料顯示，該樁基在開挖前后埋置深度內(nèi)各土層分布情況見表2所列。

表2 5-1#樁基開挖前后埋置深度內(nèi)土質(zhì)分布情況一覽表（單位：m）

考慮豎向荷載效應(yīng)，驗算結(jié)果見表3所列。

表3 5-1#樁基開挖前后單樁軸向受壓承載力驗算結(jié)果比較一覽表

可見由于河床開挖，造成樁基上部土層的減少，開挖后單樁軸向受壓承載力容許值也相應(yīng)降低。但該樁為端承樁，樁基大部分已嵌入中風(fēng)化巖層中，開挖部分的土層樁周摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值相對較小，因此對單樁軸向受壓承載力容許值影響較小。

4.2 樁身強(qiáng)度驗算

根據(jù)右邊幅5-1#樁基的受力最不利情況可得在河床開挖前后最大彎矩的控制截面，見圖3、圖4所示。

圖3 開挖前最大彎矩的控制截面示意圖

圖4 開挖后最大彎矩的控制截面示意圖

由此可見，該樁基在開挖前后最大彎矩的控制截面分別位于開挖前原地面線下3.5 m、開挖后地面線下1.0 m，開挖后控制截面出現(xiàn)的位置較開挖前相對于相應(yīng)地面下的距離更小。綜合分析可知，樁基最大彎矩控制截面出現(xiàn)在地面線下1～2倍樁徑左右的位置，而各土層地基水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù)m是影響其位置的重要因素。非巖石地基的抗力系數(shù)隨埋深成比例增大，巖石地基抗力系數(shù)不隨巖層埋深變化。該樁基在開挖后大部分已進(jìn)入中風(fēng)化基巖，周圍基巖對樁基起到較大的約束作用，因而最大彎矩的控制截面離地面線位置相對較小。

在基本組合下，考慮偏心增大效應(yīng)，右邊幅5-1#樁基在開挖前后控制截面承載力驗算結(jié)果見表4所列。

表4 5-1#樁基基本組合作用下開挖前后控制截面承載力驗算結(jié)果一覽表

4.3 樁身裂縫寬度驗算

按設(shè)計荷載在正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合下，開挖前后控制截面最大裂縫寬度驗算結(jié)果見表5所列。

表5 5-1#樁基短期效應(yīng)組合作用下開挖前后控制截面最大裂縫驗算結(jié)果一覽表（單位：mm）

由此可見，該樁基在開挖前控制截面最大彎矩較小，樁身未出現(xiàn)裂縫；河床開挖后，樁基傾斜產(chǎn)生附加彎矩，因而控制截面彎矩較大，但最大裂縫寬度仍滿足允許裂縫寬度的要求。

5 結(jié)論與意見建議

本文結(jié)合現(xiàn)場實測資料及地質(zhì)資料，對某大橋樁基在河床開挖前后受力情況進(jìn)行了分析和比較，通過此實例得出以下計算的結(jié)論及后續(xù)措施處理的意見、建議。

5.1 計算結(jié)論

（1）對于類似樁基在開挖前后的變化，應(yīng)對樁基的單樁軸向受壓承載力、樁身強(qiáng)度和裂縫寬度進(jìn)行驗算，以明確樁基的受力性能是否滿足規(guī)范要求。

（2）開挖后裸露出的樁基應(yīng)對其傾斜度等進(jìn)行實測，計算時應(yīng)根據(jù)實際情況考慮樁基傾斜而產(chǎn)生的附加彎矩，計算得出最大彎矩的控制截面，再按規(guī)范要求考慮偏心距增大系數(shù)η，從而驗算樁身的強(qiáng)度及裂縫寬度是否滿足規(guī)范要求。

（3）樁基最大彎矩處的控制截面的位置隨開挖前后土層的改變而變化，但出現(xiàn)位置根據(jù)計算結(jié)果可判斷大概在相對地面線以下1～2倍樁徑處，各土層地基水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù)m是影響其位置的重要因素。此特性為樁身強(qiáng)度的驗算提供重要依據(jù)。

5.2 后續(xù)措施處理的意見及建議

（1）對于類似由于河床改造開挖造成對柱式橋墩樁基條件的改變，應(yīng)現(xiàn)場實測樁基既有數(shù)據(jù)并監(jiān)測其變化。對于超過規(guī)范上限的情況，建議組織專業(yè)橋梁病害檢測單位進(jìn)行檢測、處理。

（2）對于開挖后高度大于7 m的橋墩，應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求可增設(shè)橫系梁。除滿足公路橋梁抗震規(guī)范外，也有利于增加開挖后各樁基間的聯(lián)系。

（3）根據(jù)既有河床開挖情況等基礎(chǔ)資料驗算所得結(jié)果可看出，部分樁基的單樁軸向受壓承載力富裕度較小，建議應(yīng)對河床底硬化鋪砌，保證防水后不再對橋墩有沖刷，從而避免對樁基承載力的影響，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。

（4）根據(jù)目前既有狀況，應(yīng)對開挖后各柱樁傾斜及錯位等病害進(jìn)行處治。實施方案以確保不影響結(jié)構(gòu)安全為前提，結(jié)合河道生態(tài)帶景觀要求一并考慮，使其與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。

該工程作為成都天府新區(qū)正公路某大橋?qū)嵗?，具有一定的特殊性和較強(qiáng)的實際意義。通過現(xiàn)場實際情況，結(jié)合地質(zhì)及實測資料，對樁基在河床開挖前后進(jìn)行受力分析和計算并提出對出現(xiàn)病害處理的建議，為今后天府新區(qū)類似情況樁基的設(shè)計、施工及后續(xù)問題的解決提供一些參考和借鑒。