浅析地面沉陷区桩基础受力计算

黄性燏，张 勇，袁 磊

(1.广东江肇高速公路管理中心，广东 江门 529075;2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

某高速公路桥梁下部结构桩基础施工时出现了较大范围的地面沉陷，影响范围沿线路方向长约500 m，宽约60 m，深约8～14 m，总共存在5处较大地面沉陷点，其中6#桥墩附近的地面沉陷最大最严重，直径约50 m，桥位附近的鱼塘和养猪场也有不同程度的影响。从地面塌陷后的地貌来看，各塌陷区均呈漏斗状，塌陷区只是塌陷深度及塌陷宽度有所不同，部分塌陷区相邻较近，塌陷后连成一片形成不规则的塌陷区域。

由于地面塌陷时部分桩基础、承台及桥墩已经施工完毕，塌陷后经施工单位测量，1#～15#桥墩共50根φ160 cm桩基出现了偏位，其中偏位最大的桩基为左幅桥5#桥墩外侧桩基，其纵桥向偏位为65 cm，横桥向偏位为10 cm。出现偏位的桩基受力状态如何以及是否可以继续利用是摆在设计单位面前的一道难题，本文针对该桥塌陷后的现状，结合地质资料及测量资料，对偏位桩基的受力进行计算分析，为该桥的基础处理提供决策依据。

1 场地地质情况

本工程场地位于灰岩地区，基岩上部河流冲积层较厚，地下水丰富，岩溶十分发育。地面以下为20～30 m粉(细)砂层、2～10 m中粗砂，之下为微风化灰岩;覆盖层砂层厚，自稳性差，岩层裂隙发育，溶洞相对较少，但个别溶洞超深。

2 偏位位移分析

该桥地面塌陷后施工单位共进行三次有效测量，其中第一次测量值为回填之前的桩基偏位值，第二次和第三次测量值为回填之后的桩基偏位值，因此，本次受力分析时桩基偏位值按第一次测量值进行取值。对于承台未施工的桩基，目标位移值即桩顶偏位按施工单位测量结果取值。对于承台已施工的桩基，同一承台处两根桩基位移通常存在一定差异，为了便于结构分析，根据实测承台四个角点位移推算承台的平面内刚体位移Δx、Δy及转角 θ，并以此作为结构分析的目标位移值，计算中不考虑承台轴向变形。承台位移分解如图1所示。

图1 承台位移分解图

3 桩基受力模式分析

地质勘探资料显示，该桥塌陷区域覆盖层主要为约30 m厚粉细砂夹淤泥质土(或细砂)，基岩为微风化灰岩。结合地面塌陷区的分布特征，对地面塌陷过程中桩的受力机理分析如下:基底溶洞的存在是本次塌陷出现的主要原因，受基桩施工对土体扰动及地下水作用的影响，土层以开放式溶洞口为中心下陷，并最终达到稳定状态，形成漏斗状塌陷坑。在土层下陷的过层中，基桩受两侧流动土体不平衡压力影响发生变形，在塌陷区土体稳定后土压力不会自然消除，使得桩顶呈现明显的偏位，偏位的大小及方向与桩身承受的土压力及其分布相关。

从塌陷后桩基状态调查结果来看，根据桩基位置与塌陷坑的平面位置关系可将目前受塌陷影响的桩基分为三类:桩位1—桩基处于塌陷核心区，桩周地面线较为平整;桩位2—桩基处于塌陷后的斜坡上;桩位3—桩基处于塌陷区之外，如图2所示。图2中的B为塌陷区地表宽度;B'为塌陷核心区宽度;b为溶洞或土洞顶面宽度;H为基岩覆盖层厚度;φ为土层自然休止角。

根据以下基本假定确定上述桩基计算力学模式:①基岩覆盖层土体为均匀砂性土;②产生桩身位移的不平衡力由稳定土层分界线以上土体提供;③稳定土层分界线以下的桩土相互作用按“m法”以土弹簧进行模拟;④桩身在基岩面嵌固。

三种状态下桩基受力模式如图3所示。

图2 塌陷区桩位分类示意

图3 桩基计算力学模式示意

模式一:桩基处于塌陷核心区，桩身自由长度为h，地面线以下沿桩基埋深作用三角形荷载;

模式二:桩基处于塌陷后的斜坡上，桩身自由长度为h，地面线以下沿桩基埋深作用三角形荷载，稳定土层分界线之下作用土弹簧;

模式三:桩基处于塌陷区之外，地面线以下沿桩基埋深作用三角形荷载，稳定土层分界线之下作用土弹簧。

三种计算模式均以塌陷后桩顶偏位值为目标推算桩身最不利内力，对其受力性能及后续可使用性作出初步判断。考虑回填纠偏亦是对偏位桩基施加单向土压力，回填后偏位桩基的受力计算仍按上述假定及分类进行受力分析。

4 计算模型

结构计算采用大型通用有限元程序ANSYS进行。对于承台未施工的各桩，按单桩建立结构模型;对于承台已施工的情况，则建立由桩和承台共同受力的的框架结构模型，如图4所示。桩基和承台均采用梁单元BEAM44，截面尺寸按实际构造取值。土弹簧采用弹簧单元COMBIN14，弹簧刚度k值按“m法”换算。

根据塌陷区的影响范围，目前已施工的1#～15#桥墩共计有50根桩(10根桩尚未施工)，按照上述分类原则，各桩采用计算模式如下:

模式一:4#墩 AB桩、5#墩 A桩;

模式二:3#墩 ABCD 桩、4#墩 CD 桩、5#墩 CD 桩、6#墩AB桩和7#墩AB桩;

图4 结构计算模型示意

模式三:1#墩 ABCD桩、2#墩 BCD桩、6#墩 CD桩、7#墩 CD 桩、8#墩 ABCD 桩、9#墩 ABCD 桩、10#墩 ACD桩、11#墩 D 桩、12#墩 ABCD 桩、13#墩 ABCD 桩、14#墩ACD桩和15#墩 B桩。

5 计算结论

根据前述结构计算模式，桩身典型弯矩分布如图5所示。

图5 桩身典型弯矩分布(单位:kN·m)

综合塌陷后、回填后以及运营阶段(运营阶段引起桩身最大内力与偏位引起的桩身最大内力不在同一位置)结构受力分析的结果，将本次受塌陷影响的50根桩基的受力状态分为三类:

1)塌陷及回填对桩身受力影响较小，桩基可有条件利用，包括1#ABCD、2#BCD、8#A、9#BC、12#CD 和13#A桩，共13根。

2)塌陷及回填对桩身受力影响较大，桩基继续利用的可能性较小，包括 3#ABCD、4#AB、5#ACD、6#ABCD、7#AB、9#D、11#D、13#C、14#ACD 和 15#B 桩，共 22 根。

3)桩身受力状况尚不明确，有待进一步调查，包括4#CD、7#CD、8#BCD、9#A、10#ACD、12#AB 和 13#BD 桩，共15根。经专家会论证，此部分桩基最终将继续使用。

6 结语

经比较，采用本文假定的塌陷区桩基计算模型，桩基偏位后的受力计算结果与设计单位采用包络方法的计算结论基本一致，专家会决定上述桩基的处理方案按计算结论和意见执行。若偏位桩基全部重新加桩，需增加工程造价约630万元左右(φ160 cm桩基加桩单价按5 900元/m估算)，且工期无法满足通车要求。

由于两种方法均以桩基偏位测量值为已知参数推算桩身受力，因此桩身偏位测量值的准确性(施工单位提供的偏位值均由结构物偏位后坐标与设计坐标比较得出)对计算结果有着至关重要的作用。此外，上述计算结论目前难以采用有效的方法(超声波、小应变及钻孔取芯等方法均进行了尝试)进行验证，这将是塌陷区桩基检测的一个新课题。

［1］中华人民共和国交通部，JTG D63—2007 公路桥涵地基与基础设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［2］中华人民共和国交通部，JTG D60—2004 公路桥涵设计通用规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］中华人民共和国交通部，JTG D62—2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学［M］.北京:清华大学出版社，1994.

［5］姚连凯.客运专线桥梁基础沉降计算和分析［J］.铁道建筑，2007(12):13-15.