軟土地區(qū)地面堆載對橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響分析

王曉佳 張啟偉

（同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092）

0 引 言

工程中的大面積堆載是一種常見的現(xiàn)象，然而長期以來，其產(chǎn)生的危害始終未能引起足夠的重視，因地面堆載導(dǎo)致土體擾動、造成既有結(jié)構(gòu)損壞的事故時有發(fā)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(chǔ)產(chǎn)生兩方面的不利影響：其一，樁周土體產(chǎn)生側(cè)移，引起樁身撓曲，樁身承受過大的彎矩出現(xiàn)混凝土開裂，同時承臺基礎(chǔ)產(chǎn)生過大的水平位移及扭轉(zhuǎn)，橋墩產(chǎn)生過大的傾斜造成上、下部結(jié)構(gòu)在支座處產(chǎn)生偏移，嚴(yán)重時支座結(jié)構(gòu)不能正常使用；其二，大范圍堆載會在樁周產(chǎn)生負(fù)摩阻力，增加樁的豎向荷載并使基礎(chǔ)產(chǎn)生顯著的不均勻沉降，對超靜定結(jié)構(gòu)形式的主梁將產(chǎn)生較大的附加力，影響結(jié)構(gòu)安全［5］。

本文以某軟土地區(qū)橋梁為例，運用Midas GTS NX軟件建立三維數(shù)值分析模型，分析地面堆載對橋墩基礎(chǔ)造成的沉降及側(cè)移的影響，并將模擬計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比，驗證模擬計算的合理性，依據(jù)計算及現(xiàn)場驗證結(jié)果確定基礎(chǔ)加固與否的判斷標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)制定了橋墩、基礎(chǔ)、主梁及支座的修復(fù)方案，為同類不良堆載情況的安全評估及修復(fù)提供借鑒和參考。

1 工程概況

本工程位于某軟土地區(qū)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(qū)域。測量顯示堆土區(qū)域總體呈橢圓形狀，堆土范圍南北方向長約120 m，東西方向?qū)捈s110 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(jié)構(gòu)的平面關(guān)系如圖1所示。

圖1 橋梁與堆載平面位置關(guān)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(xiàn)有軟土地基的影響，堆載產(chǎn)生的附加壓力導(dǎo)致該區(qū)域軟弱土體出現(xiàn)水平移位和豎向沉降，造成該匝道橋16#～22#橋墩出現(xiàn)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(chǎn)生相對水平移位，引起西側(cè)支座外移22 cm，支座2/3 范圍處于脫空狀態(tài)，如圖2 所示，繼續(xù)發(fā)展將有落梁的風(fēng)險，存在較大的安全隱患；檢查同時發(fā)現(xiàn)東西側(cè)兩聯(lián)主梁端部在19#墩伸縮縫處產(chǎn)生了6.5 cm的錯臺現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)橋梁險情后，相關(guān)人員隨即在19#墩處加設(shè)臨時支撐措施，對主梁加設(shè)橫向限位裝置，再分層卸載匝道范圍內(nèi)的堆土，并同步進行橋墩的沉降和傾斜監(jiān)測。

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

受堆土影響范圍內(nèi)的橋梁為兩聯(lián)跨徑組合為［（22.5 m+25 m+22.5 m）+3×25 m］的混凝土連續(xù)梁橋，橋墩為獨柱墩結(jié)構(gòu)，墩高為14.4～15.9 m，橋墩基礎(chǔ)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(nèi)的土層主要物理力學(xué)性質(zhì)見表l。

2 數(shù)值分析

2.1 計算模型

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

根據(jù)圣維南原理［6］，地面堆載對周邊應(yīng)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(cè)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(chǔ)采用梁單元進行模擬。模型節(jié)點總數(shù)55 058個，單元總數(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)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(xiàn)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(yīng)的區(qū)域，換算均布荷載為55～140 kN/m2。

2.2 計算荷載步

地基土層經(jīng)過長時間的堆積荷載后已經(jīng)固結(jié)完畢，模型分析時首先平衡地應(yīng)力，將土體沉降完成的狀態(tài)作為初始狀態(tài)，再進行后續(xù)結(jié)構(gòu)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(jié)果分析

17#～20#墩基礎(chǔ)沉降及側(cè)移的模擬計算結(jié)果如圖5 所示。計算和實測的承臺沉降及側(cè)移比較如圖6 所示。計算和實測結(jié)果均表明大范圍地面堆載會使橋梁下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的沉降，且堆土高度越大沉降值也越大，堆土產(chǎn)生的既有結(jié)構(gòu)最大沉降發(fā)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(chǔ)發(fā)生側(cè)移，在不均勻堆土區(qū)域和堆土的邊坡附近影響較為明顯，堆載產(chǎn)生的既有結(jié)構(gòu)最大側(cè)移位于18#墩處，承臺實測側(cè)移達(dá)38.9 cm。計算同時表明，18#墩處樁身最大拉應(yīng)力發(fā)生在距承臺底面約1.2 m處，為14.4 MPa，遠(yuǎn)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(jié)果Fig.5 Results of the simulation

圖6 承臺沉降及側(cè)移Fig.6 Settlement and horizontal displacement of the caps

計算結(jié)果顯示，當(dāng)承臺側(cè)移達(dá)到16.5 cm 時，樁基極限抗力剛好滿足規(guī)范要求［7］。對現(xiàn)場部分樁基進行局部開挖驗證，發(fā)現(xiàn)實際情況與計算結(jié)論基本相符。因此，以承臺側(cè)移量是否超過16.5 cm作為該橋樁基礎(chǔ)加固與否的評判標(biāo)準(zhǔn)。

3 橋梁修復(fù)

橋梁檢測及評估結(jié)果表明，需盡快對該橋?qū)嵤┬迯?fù)工作，以消除結(jié)構(gòu)安全隱患，恢復(fù)橋梁的正常使用。

3.1 橋梁修復(fù)實施原則

（1）部分橋墩基礎(chǔ)沉降及側(cè)移較大，對應(yīng)的樁基礎(chǔ)已破壞，墩梁相對移位較大且有落梁的風(fēng)險，應(yīng)對樁基礎(chǔ)進行加固，對梁體進行頂升和糾偏復(fù)位，對滑移過大的支座進行重新安裝或更換，使橋梁恢復(fù)到正常使用狀態(tài)。

（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(dá)到原有結(jié)構(gòu)的設(shè)計承載力，且不能降低交通營運的能力和質(zhì)量。

3.2 基礎(chǔ)及橋墩立柱加固

根據(jù)樁基礎(chǔ)加固判斷標(biāo)準(zhǔn)，17#～19#墩承臺偏移超限，樁基礎(chǔ)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(yù)應(yīng)力錨索進行糾偏加固，本工程所在軟土地區(qū)無可靠的錨固點，因此加固采用新建承臺及樁基的方案?，F(xiàn)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(xiàn)明顯病害，立柱變形仍以整體平移和轉(zhuǎn)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(cè)共設(shè)置4 根，采用GPS15 循環(huán)鉆機進行成孔施工，導(dǎo)管法進行混凝土灌注。在原橋墩承臺頂面新建承臺構(gòu)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(jié)合面的鑿毛處理，以確保結(jié)合面的連接質(zhì)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(jié)構(gòu)可靠連接。

3.3 梁體偏位調(diào)整及支座更換

實測主梁線形表明，16#～19#墩范圍主梁側(cè)移量較大，是造成19#墩伸縮縫處主梁與相鄰梁段間產(chǎn)生錯臺的主要原因，需要對該聯(lián)連續(xù)梁進行梁體偏位的糾正，實測19#～22#墩范圍主梁側(cè)移量較小，不再進行梁體位置調(diào)整。17#、19#墩處球形鋼支座縱向滑移量遠(yuǎn)超出設(shè)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(diào)整。另外，18#～20#墩處基礎(chǔ)沉降量較大，橋墩之間最大差異沉降達(dá)6 cm，使上部結(jié)構(gòu)連續(xù)梁產(chǎn)生較大的附加內(nèi)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(diào)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(shè)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(zhǔn)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(diào)整，待梁體復(fù)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(zhǔn)，并在縱、橫方向加以適當(dāng)?shù)恼{(diào)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(chǔ)沉降較大的情況，通過增設(shè)墩頂支座預(yù)埋鋼板進行支撐高度的調(diào)整，從而達(dá)到恢復(fù)主梁支撐點高度的目的。

3.4 修復(fù)效果評價

橋梁維修及加固實施后的實測結(jié)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(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，基礎(chǔ)最后100 天的最大沉降速率小于0.01 mm/d，認(rèn)為已達(dá)到規(guī)范［8］的沉降穩(wěn)定測試要求；該橋承臺最后1個月內(nèi)側(cè)移量小于0.1 mm，承臺累計側(cè)移量小于3 mm，基本穩(wěn)定，修復(fù)效果良好。

4 結(jié) 語

本文以某軟土地區(qū)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(cè)移的影響，結(jié)果表明，大范圍、高堆載將使基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的沉降及側(cè)移，而軟土地區(qū)堆載引起的基礎(chǔ)側(cè)移更為顯著，是造成樁基破壞的主要原因，通過理論計算結(jié)合實測驗證，制定了樁基加固與否的評判標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合軟土地區(qū)的工程特點，制定了基礎(chǔ)及橋墩的加固方案、梁體偏位調(diào)整及支座更換方案，維修實施后經(jīng)后期監(jiān)測表明維修效果較好，橋梁結(jié)構(gòu)已恢復(fù)至較好狀態(tài)?，F(xiàn)場檢測與監(jiān)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(yǎng)部門應(yīng)高度重視地面堆載對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，在役橋梁結(jié)構(gòu)周邊的工程施工時，應(yīng)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(yán)格控制堆載的范圍及方量，避免堆土引起橋梁災(zāi)害事故的發(fā)生，防患于未然。