软土地基上堆载对邻近桥梁桩基的影响

■王剑文(福建省交通规划设计院，福州　350004)

软土地基上堆载对邻近桥梁桩基的影响

■王剑文
(福建省交通规划设计院，福州350004)

摘要针对近年来工程中频繁出现的软土地基上侧向堆载导致桥墩桩基滑移的问题，本文以福州闽侯荆溪特大桥的6个墩位为研究对象，对其下部结构位移进行实地观测，并利用有限元软件建立模型进行分析计算，提出了不同的加固和治理措施，同时对桥侧软基上堆载问题提出了不同的预防措施。

关键词软土地基被动桩堆载土体侧移

在路基和桥梁等建设工程中，往往因地基土的工程性质较差，使得在土体上的堆载诱发土体发生较大侧向位移，使邻近桩基础受到附加水平荷载的作用，严重影响桩的承载性能乃至上部结构的破坏，这类桩即称作“被动桩”。被动桩问题有着深刻的工程背景和惨痛的经验教训，特别是近年来桥梁堆载问题日益突出。本文结合实际工程，选用位于福州市闽候县荆溪镇境内的荆溪特大桥6个墩位进行模拟分析，得出在堆载下大桥桥墩发生位移破坏的机理，同时，采用几种措施对荆溪特大桥段落进行防护与整治。

1　工程概况

荆溪特大桥工程属于国道主干线福州绕城公路西北段。本桥位于福州市闽候县荆溪镇境内,自西向东跨越荆溪、规划江滨路与115县道交叉口。本桥平面位于R＝5000m、R＝1400m和R=1900m的圆曲线以及缓和曲线或直线段上，桥上纵坡最大不超过1.3%。

荆溪特大桥共长3614.5m，上部结构采用25联30m左右跨PC连续T梁及一联PC连续变截面悬浇箱梁(箱梁共长247m)，如图1所示。

(a）桥平面示意图

图1　荆溪特大桥示意图

2　桥梁病害分析

(1）实测数据分析

项目业主委托某检测单位对桥梁桩基位移进行了检测，由于是发现个别伸缩缝及路面标志线存在明显错移后，才开始对桥墩位移进行观测，因此，本阶段桥墩位移观测未观测到桥墩的全部位移。

桥墩侧的土体深层水平位移呈南北向反复位移现象，经分析，认为主要是：桥墩位于20多米深的软土淤泥层中，且桥墩在南侧堆土(高度约5m，如图2所示，在8月中旬进行了卸土）、卸土、土方车辆等荷载及桥梁上的行驶的车辆荷载等影响下，出现位移无明显规律的情况。9月中旬后，土体深部水平位移趋势减小，说明土方荷载对桥墩侧土体的深部水平影响较显著。

桥墩的水平位移，在8月上旬期间位移速率较大，之后位移速率趋于收敛。其中64-1、65-1、66-1、67-4、69-1、70-1、71-3桥墩水平位移较大，其中最大偏移量为69-4的桥墩位置，最大偏移量达到了0.080m。桥墩南侧堆土、卸土、土方车辆荷载及桥梁上的行驶的车辆荷载对桥墩水平位移都有影响；受堆土、卸土影响较大，土方卸载后，桥墩水平位移大多有向卸载区域方向发展的趋势。

图2　荆溪特大桥堆载示意图

(2）建立理论模型

本章采用岩土软件GeoStudio中的Sigma/W模块来对堆载作用下的荆溪特大桥进行二维有限元分析，模拟并计算堆载荷载对桥梁桩基所产生的内力和位移。采用计算模型见图3，计算范围100m宽，有限元模型计算网格(不含桩头承台），边界约束条件采用左边界水平约束，右边界和底边界固定约束。由于在模拟过程中考虑桥梁桩基本身尺寸对计算结果产生的影响，不能忽略其尺寸效应，故采用梁单元。地下水位埋深假定为5m，根据地质勘探结果，土层自上到下分别为软土、卵石、粉质粘土、全风化、碎块状强风化和中风化。堆载土为粘土，为计算方便，不考虑分层堆载计算时间为15d。桥梁桩基设1.5m高系梁，桩径1.8m，在桥面施加20kPa的公路行车荷载。

软土采用修正剑桥模型。桥身钢筋混凝土材料选用各向异性线弹性模型，其中混凝土弹性模量取值18GPa，钢筋取值200GPa，其余土层采用线弹性模型。

图3　计算模型

(3）理论模型分析

荆溪特大桥在右幅桥墩的64#～71#右侧存在不同规模的堆载，选取堆载规模较大且较典型的64#、65#、66#、69#和70#五个桥墩进行分析计算，将计算结果与实际检测结果进行对比。这5个桥墩的计算最大横向位移分别为：0.8cm、1.8cm、2.3cm、5.4cm和2.7cm，现场实测结果分别为：1.7cm、2.3cm、3.0cm、8cm和3.1cm，理论结算结果均略小于其检测结果，可能原因是地质参数的差别和忽略了堆载的长期作用下土的蠕变效应，以及桥梁的施工质量与理论模型存在差异性，因此，计算结果小于实测结果。但其规律基本相同，可用于计算分析。

根据计算和检测结果，其中64#桥墩位移较小，可考虑不采取措施，65#、66#和70#桥墩均出现一定程度的位移，需考虑进行一定的加固与防治措施，69#桥墩处位移较大，对桥梁使用性能造成影响，必须采取加固措施。因此，以位移最大的69#桥墩为例，采取先卸载再对桥墩进行加固的方式进行治理。将堆载进行卸载是最简单的处理方式，对69#墩附近的堆载进行卸载，计算结果如图4所示。

图4　卸载计算结果分析

可以看出，左右桩基出现明显位移变化，在卸载前，左桩基最大位移达到5.44cm，右桩基最大位移达到5.2cm，卸载后，左桩基最大位移恢复到4cm，右桩基最大位移恢复到5.2cm，分别回正了1.45cm和1cm。说明卸载对于桥梁桩基存在一定的控制作用，预防了桥梁位移进一步偏移，但由于作用有限。对于规模较小的堆载，可简单采用卸载方式。

在对堆载进行卸载后，可采用以下方法对桥墩进行加固：

①增大截面法：在墩柱的表面增加混凝土并配置纵、横向钢筋，纵筋必须锚固在承台中。承台也相应进行加固。增大截面加固法通常采用的型式有圆形、矩形；加固方式可分为全截面加固和部分截面加固。

②外包钢管法：圆形桥墩采用薄钢管外包塑性铰区的加固技术时，宜采用两块半圆形的钢管现场沿竖向接缝焊接而成，钢管的内径比桥墩直径略大，空隙中灌注微膨胀水泥砂浆，钢管的下端与承台顶面应有40mm的间隙。

③粘贴纤维复合材料法：纤维复合材料适用于钢筋混凝土墩柱的延性加固。

(4）提出预防措施

同样，经过建立相应的数学模型进行模拟分析，可得以下几种较少桩基横向位移的预防措施。

①地基换填土：换填后最大位移由原来的5.4cm减少至4.3cm，变化不明显，因此该法适用于软基层较薄，或者荷载较小的情况；

②隔离桩：在模型中堆载和桥梁之间加一隔离桩(桩径2m，桩长23m，嵌入卵石层)，最大位移由原来的5.4cm减少至4.7cm，变化不明显，因此该法适用于软基层较薄，或者荷载较小的情况；

③复核地基：在模型中加入小直径旋挖成孔灌注桩(桩径1m，桩间距1m) ,最大位由原来的5.4cm减少至1.5cm，效果显著。该方案对于防治软土地基上的堆载引起的桥梁桩基位移有着明显的效果，但此方案造价偏高，因此在选用时需考虑其经济指标。

3　结论

(1）针对荆溪特大桥工程而言，64#桥墩位移较小，可考虑不采取措施，65#、66#和70#桥墩均出现一定程度的位移，需考虑进行一定的加固与防治措施，69#桥墩处位移较大，对桥梁使用性能造成影响，必须采取加固措施。

(2）以位移最大的69#桥墩进行分析，采取了几种不同的加固和防治措施，并进行模拟分析。在堆载后进行卸载，桥梁桩基位移回正了1~1.5cm。说明卸载对于桥梁桩基存在一定的控制作用，预防了桥梁位移进一步偏移，但由于作用有限。对于规模较小的堆载，可简单采用卸载方式。

(3）采用换填土和旋挖桩复合地基的方法对软基进行处理，其中换填土法使得桥梁位移减小了1.1cm，对于桥梁桩基存在一定的控制作用，适用于软基层较薄，或者荷载较小的情况；旋挖桩复合地基的方法减小到原来位移的1/3不到，起到了明显的控制作用，大大减小了桥梁的位移，此方法对于防治软土地基上的堆载引起的桥梁桩基位移有着明显的效果。

(4）在堆载和桥梁之间加入隔离桩的方法，使得桥梁桩基位移平均减小0.65cm，效果不明显。

(5）从原则上应防止在桥梁两侧进行任意堆载，若迫不得已需要进行堆载时，应采取预防措施，预防效果最好的是地基加固法，但造价偏高，需考虑其经济因素；建议采用换填土或加固桩的方法。

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