不良地质下桥梁桩基脱空的应对措施及模拟分析

张世冀　税银平

(贵州省交通规划勘察设计院股份有限公司　贵阳　550081)

不良地质下桥梁桩基脱空的应对措施及模拟分析

张世冀税银平

(贵州省交通规划勘察设计院股份有限公司贵阳550081)

摘要某桥梁地处贵州山区，桥下溶洞发育丰富，由于地质的复杂性与地勘不详等原因，桥梁出现了桩基脱空的现象。文中通过实地勘测与理论计算相结合，采用“移动桩基、加强承台”的方法确保了桥梁下部的安全。

关键词桩基脱空不良地质加固

1工程概况及问题

杭瑞高速贵州境毕节地区地处贵州高原西部高原山地区，受侵蚀-溶蚀影响，地形条件较为复杂。区域基岩为灰白夹灰黄色强-中风化破碎白云质灰岩，且场区附近属侵蚀-溶蚀低中山斜坡地貌，溶洞发育丰富。在桥梁下部桩基的施工过程中难度大，要求地勘精度高，如果地质勘查不仔细，经常会出现桩脱空这类问题。

某24.5 m路基宽40 m多跨连续T梁桥(三跨一联)7号墩下地质情况见图1，承台平面8×7.5 m，高2 m；承台上接60 m矩形实体桥墩，矩形墩截面尺寸6.5 m×2.6 m；下接1.8 m嵌岩桩基4根，顺桥向桩基间距4.5 m，横桥向桩基间距5 m。

该区域桩基覆盖层为第四系残坡积(Qel+dl)含碎石粉质粘土，持力层为灰白夹灰黄色强-中风化破碎白云质灰岩(frk=15 MPa)，桩基按嵌岩桩设计[1]。由于地质的复杂性与地勘不详等原因，施工中桩基出现脱空现象(认为桩基对结构受力不起有利作用)。为减少经济损失、保障生产周期，并保证工程结构安全，经实地勘测后设计中决定采用“桩基外移，承台加强”的方法，避开溶洞发育区域，见图2，为减小由于承台一侧刚度减小而产生的桥墩横向倾斜问题，承台加厚0.55 m，以满足下部承台抗裂及承载能力要求。

图1地质断面图图2承台桩基图

2承台受力分析方法

由于增加了桩基根数，本方法可以保证桩基受力上的安全，但增加了承台受力的复杂性。承台作为“承上启下”的传力结构，承受桥墩传递的轴力、弯矩及剪力作用，下面受到5根桩基的不均匀支撑。根据《公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范》[2],承台外排桩中心距离承台边缘等于或小于承台高度时，承台按“撑杆-系杆”方法计算承台截面。鉴于承台受力的复杂性，设计中采用大型有限元计算分析软件Midas civil 2012作为结构分析和计算的手段，建立结构离散实体三维模型见图3，模型共有单元数9 211，节点数2 418。承台上部作用力可以通过对桥梁建立全桥模型整体受力分析取得，并施加于实体模型上。

图3承台实体模型图

3承台应力结果及分析

承台下部桩基脱空以下部受拉为特征，故分析中主要以承台下底面为主。承台应力及位移计算结果及分析如下。

(1) 经分析计算承台底部X方向主应力Sx见图4,在原有桩基缺失部位出现拉应力4.86 MPa；在既有桩基顶部位出现压应力4.97 MPa。桩基脱空对承台下底面应力影响较大(数值大小而言)，局部应力变化：①承台底拉应力区域有向另一侧扩展的趋势；②由于拉应力区域刚度减小，桥墩有横向倾斜的趋势。设计中采取的措施：①根据应力计算结果增加桩基脱空区配筋设计；②增加承台的刚度以防止桩基脱空一侧出现横向倾斜。

图4承台应力Sx

(2) 经分析计算承台底部Y方向主应力Sy见图5,在桩基分布中心部位出现拉应力1.31 MPa；在既有桩基顶部位出现压应力1.48 MPa。桩基脱空对承台下底面应力影响较小(数值大小而言)，且出现了局部应力变化：①桩基分部中心部位拉应力区域变大，竖向有向桩基脱空部位扩展的趋势，横向有向右侧移动的趋势；②脱空一侧应力增大，有出现拉应力的趋势，但由于桩基间距较小，尚未出现拉应力，未影响到结构安全，设计中可根据应力大小情况采用增强底部配筋保证结构安全。

图5　承台应力Sy

(3) 经分析承台在受力中的位移量见图6,在桩基脱空承台一侧刚度减弱的情况下，桥墩发生倾斜，故设计中采用增加承台高度处理。在增加承台高度前，桥墩倾斜角度为0.33°，承台所属7号墩墩高60.1 m，由此产生的墩顶位移为34.5 cm,位移与倾角较大，不满足桥墩墩顶位移及转角要求；在增加承台高度后，桥墩倾斜角度为0.13°，承台所属7号墩墩高60.1 m，由此产生的墩顶位移为13.6 cm，满足桥墩墩顶位移及转角要求。

图6　承台位移图

(4) 计算结果。承台亦可看做厚度较大的板，承台受力某些方面与结构理论中单向板、双向板受力理论一致。对于本桥承台，设计中承台以横向受力为主，竖向受力为次。根据受力特点，设计中应在承台横向特别是桩基脱空区域根据应力大小配置足够数量的钢筋以满足承台的承载能力及正常使用要求，同时增大厚度以弥补由于桩基脱空支撑跨度增大造成的刚度缺失，防止桥墩及上部结构横向位移过大，影响结构安全与行车舒适。

4结语

承台桩基脱空在贵州省侵蚀-溶蚀影响的地质条件下经常存在，研究此类问题对于西南地区地质复杂区域的桥梁建设很有意义。承台作为深受弯构件，在通常的规范及设计计算中常以“撑杆-系杆”法计算，此类方法计算简单结果相对保守，且对于复杂情况下的承台不容易简化，限制了其使用的便利性[3]。对于本桥设计中的复杂受力状态，则必须借助大型有限元设计软件才能计算清楚。本文通过采用“移动桩基、加强承台”的方法，一方面满足桩基的传力要求，保证桩基受力的安全；另一方面通过借助有限元方法详细计算承台受力，并根据承台应力大小配置足够数量的钢筋保证承台的承载能力及正常使用要求，同时增大承台高度以降低由于桩基脱空造成的刚度缺失[4]。通过以上分析和计算，结合本桥实际施工，无论理论值与实测结果对比，还是具体施工都表明本计算方法是合理、适用的，采用“移动桩基、加强承台”的方法确保了桥梁下部的安全，对于以后类似问题的处理有很强的借鉴意义。

参考文献

[1]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.

[2]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.

[3]工程地质手册编委会.工程地质手册[M].4版. 北京：中国建筑工业出版社，2007.

[4]公路桥涵设计手册.墩台与基础[M].2版. 北京：人民交通出版社，2013.

收稿日期：2014-09-30

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.008