软土地基堆载对桥梁桩基影响及保护分析

李志伟，杨建学，俞伟，陈致富

（1.福建省建筑科学研究院，福州350025；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州350025）

软土地基堆载对桥梁桩基影响及保护分析

李志伟1,2，杨建学1,2，俞伟1,2，陈致富1,2

（1.福建省建筑科学研究院，福州350025；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州350025）

在软土地区，桥梁桩基周边的不对称堆载将引发桩基产生偏位，并产生附加弯矩，严重时将影响桥梁的安全使用。结合具体工程实例，分析了不对称堆载及后期行车荷载对桥梁桩基的内力与变形的影响，对桩基竖向承载力、抗弯承载力及裂缝进行验算，并对堆土反压措施的保护效果进行分析。通过分析结果可知，在路堤填土和道路荷载的作用下，位于堆载边缘的墩柱及基桩均将发生一定程度的偏位，并将在桩身产生较大的附加弯矩；而位于堆载中心区域因堆载较为均衡，堆载对墩柱及基桩的偏位、桩身附加弯矩的影响则很小。当桥梁墩柱周边采用堆土反压时，反压土对于控制墩柱及桩基的偏位具有较好的作用，对控制基桩附加弯矩及裂缝宽度均具有明显效果。

不对称堆载；桥梁桩基；保护；软土地基

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.018

1 引言

在软土地区，软土具有抗剪强度低、透水性低、压缩性高、触变性强等特性，故在桥梁基础设计过程中，基于地基承载力、变形及稳定性等方面的考虑，桥梁的基础形式通常采用桩基础。尽管桩基础在软土地基的应用具有诸多独特优势，但由于桥梁桩基础的抗侧移刚度较差，基桩在软土地基中出现倾斜、偏位等病害亦屡见不鲜[1～6]，主要体现在桥梁施工或使用过程中，因施工堆载、路基填土或使用期间桥下大面积填土而引发桥梁地基土的变形，并直接导致桥梁桩基发生偏位，严重时甚至威胁桥梁的安全。

针对桥梁周边堆土对桩基的影响，国内外学者进行了较为深入的研究，包括室内试验、现场试验、数值计算等方面[7～13]

的分析与探讨，一般认为：当桩周堆载不均衡时，堆载将导致软弱地基土发生侧向变形，对桩基将产生侧向挤推作用，最终导致桩基、桥墩及上部桥面发生侧向偏位，严重时将引发桩身发生开裂破坏，从而破坏桥梁的正常使用功能。由此可见，在软土地区，桥梁周边邻近堆载将对桥梁桩基产生较为不利的影响，尤其是当堆载荷载较大时，其产生不利影响将不容小视。

因此，针对软土地区周边不对称堆载对桥梁桩基的影响，本文结合具体工程实例，分析了不对称堆载及后期行车荷载对桥梁桩基的内力与变形的影响，并对桩基竖向承载力、抗弯承载力及裂缝进行验算。同时，结合不对称堆载的分析结果，对堆土反压措施的保护效果进行分析，验证了堆土反压对桩基保护的有利作用。

2 工程概况

2.1 桥梁尺寸

A特大桥跨越河道及内涝软基路段的大型桥梁，上部由25m和30m跨的预应力混凝土连续T梁组成，下部采用双柱式桥墩，基础为钻孔灌注桩。B大桥接线在K2+220段处下穿A特大桥，下穿孔墩柱号为135#～137#，具体平面布置见图1。

图1 桥梁平面布置图

A特大桥下穿段上部结构设计为6×30m预应力混凝土连续T梁，下部结构为柱式墩配桩基，墩柱直径为1.5m，桩基采用直径为1.6m的灌注桩，其中，第135#和第136#墩柱桩基为摩擦桩，桩长分别为47.5m和48.5m，第137#墩柱桩基为端承桩，嵌入微风化凝灰岩，桩长为49m。桥墩和桩基混凝土标号均为C25。

2.2 场地地质条件

场地内土层自上而下分别为填土、淤泥、中砂、淤泥质土夹砂、中砂夹泥、淤泥质黏土、卵石、强风化凝灰熔岩、微风化凝灰熔岩，各土层分布及参数具体如表1所示。

表1 土层物理力学参数

B大桥接线在下穿段对应路面设计黄海高程为4.881m，原地面标高设计为黄海高程为3.251m，即在原场地上堆填1.63m的填土，路面荷载为12.75kPa。

第135#～137#墩柱的设计参数如表2所示。

表2 墩柱及桩基基本情况

3 分析模型

3.1 计算模型

本工程采用平面应变模型进行分析，土层厚度取60m，桩基两侧土体宽度取30m，单侧路堤填土为1.7m，宽度为30m，路面荷载为12.75kPa。模型左、右侧边界约束土体水平位移，底部边界约束土体竖向位移。土体本构模型采用摩尔-库伦模型，其具体参数如表1所示。桩基及墩柱均按照表2参数进行分析，且刚度均按桩基及墩柱的抗弯刚度和轴向刚度进行等效，具体路堤填土及堆土反压分析模型如图2所示。

同时，为考虑上部桥梁对墩柱位移所产生的约束作用，本工程在墩柱顶部采用弹簧支座对桥梁约束进行简化模拟。

4 桩基竖向承载力验算

为考虑该负摩阻力对基桩竖向承载力产生的不利影响，本文对基桩竖向承载力进行验算，尽管路堤填土仅是在基桩周边进行局部堆载，但仍以大面积堆载进行考虑，即按最不利情况予以考虑。

图2 计算模型示意图

由于135#和136#墩基桩为摩擦桩，依据规范规定，桩身计算中性点以上负摩阻力为零，仅取桩身中性点以下侧摩阻力进行验算。为安全起见，假设卵石以上土层均产生负摩阻力，均不考虑其摩阻力对基桩竖向承载力的贡献，仅考虑卵石、强风化凝灰熔岩的作用，计算所得基桩竖向承载力Ra为6959kN。基桩顶部荷载最大值采用墩柱顶部荷载最大值加墩柱及系梁自重，即Nk为6 764kN。故Nk＜Ra，即在大面积堆土情况下，135#和136#墩基桩竖向承载力可满足要求。

考虑到137#墩基桩为端承桩，依据规范规定，应考虑桩身计算中性点以上的负摩阻力所产生的下拉荷载，竖向承载力取取桩身中性点以下侧摩阻力进行验算。为安全起见，仍假设卵石以上土层均产生负摩阻力，在计算下拉荷载时计算卵石以上土层的摩阻力，而基桩竖向承载力仅考虑卵石、强风化凝灰熔岩、微风化凝灰熔岩的作用，故基桩竖向承载力Ra取值为9 724kN，负摩阻力产生的下拉荷载Qgh为2 411kN。基桩顶部荷载最大值采用墩柱顶部荷载最大值加墩柱及系梁自重，即Nk为6 764kN。故Nk+Qgn＜Ra，即137#墩基桩竖向承载力亦可满足要求。

5 无堆土反压的计算结果

5.1 偏位计算结果

在填筑路堤填土并施加道路荷载后，基桩及墩柱的偏位情况如图3和表3所示。

图3 基桩及墩柱偏位曲线

表3 墩柱及桩基水平偏位

由图3及表3可知，在不均衡荷载的作用下，135#和137#墩基桩及墩柱均发生了一定程度的顺桥向偏位，而136#墩因两侧荷载基本平衡，基桩和墩柱基本不发生偏位。这表明桥梁桩基偏位主要源于不对称堆载的作用，而位于堆载中心区域因堆载较为均衡，桩基偏位则很小。

5.2 桩基抗弯承载力验算

在路堤填土及道路荷载的作用下，基桩的弯矩如图4及表4所示。

由图4、表4知，在路堤填土及道路荷载作用下，135#和137#墩桩身均产生较显著的附加弯矩，且最大弯矩发生在淤泥质土层与卵石层交界处（深度约32m）；而136#墩位于堆载中心区域，两侧堆载较为均衡，其基桩产生的附加弯矩很小。

依据规范，可得基桩的抗弯承载力具体结果如表5所示。

由表5中各墩桩身弯矩设计值与抗弯承载力的对比可知：135#、136#、137#墩的基桩桩身弯矩设计值均小于其桩身抗弯承载力，即上述墩柱的基桩抗弯承载力均可满足要求。

5.3 桩基裂缝宽度验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）第6.4.5条，对灌注桩桩身混凝土最大裂缝宽度进行计算，计算所得的各墩柱基桩桩身混凝土裂缝宽度最大值如表6所示。

表4 桩基弯矩值

表5 基桩抗弯承载力

表6 基桩最大裂缝宽度

依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）表1.0.7规定可知，本工程桩基所处环境类别为Ⅰ级，其混凝土构件的最大裂缝宽度不应超过0.20mm，即裂缝宽度限值为0.20mm。

因此，在路堤填土及道路荷载的作用下，135#和137#墩的桩身裂缝宽度最大值均超过了0.20mm，即已超过规范规定的最大裂缝宽度限值，而136#墩所产生的附加弯矩很小，故在路堤填土及道路荷载的作用下桩身不产生裂缝。

6 堆土反压计算结果

6.1 偏位计算结果

在路堤填土、反压土及道路荷载共同作用下，基桩及墩柱的偏位情况如图5和表7所示。

图5 基桩及墩柱偏位曲线

表7 墩柱及桩基水平偏位

由图5及表7可知，在路堤填土、道路荷载及反压土的共同作用下，基桩、墩柱及铅垂偏移相比无反压土时均有一定程度的减小。这表明反压土的填筑对于减小墩柱及桩基的偏位均起到有利的作用，可在一定程度上控制墩柱及桩基的偏位。

6.2 桩基抗弯承载力验算

在路堤填土、反压土及道路荷载共同作用下，基桩产生的附加弯矩如图6和表8所示。

图6 基桩弯矩值

表8 基桩抗弯承载力

由图6和表8可知，在路堤填土、反压土及道路荷载的共同作用下，135#、136#、137#墩的基桩桩身弯矩值均明显减小，且均小于其桩身抗弯承载力，显然三个墩柱的基桩抗弯承载力均可满足要求。

6.3 桩基裂缝宽度验算

根据上述计算所得的弯矩，计算所得的各墩柱基桩桩身混凝土裂缝宽度最大值如表9所示。

表9 基桩最大裂缝宽度

通过表9可知，在路堤填土、反压土及道路荷载的共同作用下，135#、136#及137#墩的桩身裂缝宽度最大值均小于0.20mm，即均小于规范规定的最大裂缝宽度限值，这表明135#、136#及137#墩基桩的裂缝宽度均可满足规范要求，即反压土的填筑对控制135#及137#墩的桩身裂缝宽度起到了重要的控制作用。

7 结语

结合具体工程实例，分析了不对称堆载及后期行车荷载对桥梁桩基的内力与变形的影响，对桩基竖向承载力、抗弯承载力及裂缝进行验算，并对堆土反压措施的保护效果进行分析，验证了堆土反压对桩基保护的有利作用。具体结论如下：

1）在路堤填土和道路荷载的作用下，位于堆载边缘的墩柱及基桩均将发生一定程度的偏位，并将在桩身产生较大的附加弯矩；而位于堆载中心区域因堆载较为均衡，堆载对墩柱及基桩的偏位、桩身附加弯矩的影响则很小。

2）当桥梁墩柱周边采用堆土反压时，反压土对于控制墩柱及桩基的偏位具有较好的作用，对控制基桩附加弯矩及裂缝宽度均具有明显效果。

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Analysis of the Impact of Surcharge ontheBridge Pile and theProtection in Soft Soil Area

LI Zhi-wei1,2,YANG Jian-xue1,2,YUWei1,2,CHEN Zhi-fu1,2
(1.FujianAcademyofBuildingResearch,Fuzhou350025,China; 2.FujianKeyLaboratoryofGreenBuildingTechnology,Fuzhou350025,China)

Insoftsoilarea,thelateraldisplacementandtheadditionalbendingmomentofthebridgepilewillbecausedbytheasymmetric load,whichwillaffectthesafetyofthebridge.Combinedwithspecificengineering,theimpactoftheasymmetricloadandvehicleloadonthe bridgepileisanalyzed.Theverticalbearingcapacity,bendingcapacityandmaximumcrackwidthofthepileisreviewed,andtheprotection effectoftheearthbermisanalyzed.Theanalysisresultshowsthat,thelateraldisplacementofthebridgepilewillbecausedundertheactionof the asymmetric load and vehicle load,and additional bending moment will be produced at the same time.The lateral displacement and the additionalbendingmomentcanbeignored,whenthesurroundingloadisrelativelybalanced.Theearthbermhasgoodeffectoncontrollingthe deflection of the bridge pile,which is used to ensure the balance of the pile foundation.In addition,it has obvious effect on the control of additionalbendingmomentandcrackwidthofpile.

asymmetricload;bridgepile;protection;softsoilarea

U443.15

A

1007-9467（2016）07-0081-05

2016-03-25

福建省科技计划项目（2014Y0016）,福建省建设科技研究开发项目（2012K15）

李志伟（1984～），男，福建泉州人，高级工程师，从事岩土工程设计与研究，（电子信箱）lzhw@fjjky.com。