某高速公路桩基加固受力分析研究

苏卫迪

摘要：当桥梁位于复杂地质的山区或薄弱岩层的泥岩地区时，基础结构发生偏位的情况时有发生。文章依托某高速公路桥墩偏位过大，基础需要加固这一工程实际问题，对桩基加固受力分析开展了研究。首先，分别建立了桥梁的上部和桩基结构有限元模型，得到了上部结构不同工况下的支反力;其次，将支反力结果带入桩基结构模型中，进而获得了加固前后桩基结构的受力状态;最后，通过实际工程验证了理论计算的正确性和基于“增加桩基、扩大承台”加固方式的可行性。文章的研究结果不但能为类似工程提供经验，还能为桥墩加固中更为合理的桩基受力状态提供指导。

关键词：桥墩;位移;加固;受力

中图分类号：U443.15 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.026文章编号：1673-4874（2019）09-0089-04

0 引言

基础对桥梁的重要性不言而喻，然而由于基础通常处于环境恶劣的地区，发生病害的情况十分常见。尤其是当基础位于复杂地质的山区或薄弱岩层的泥岩地区时，很容易发生偏位。偏位一旦过大，将直接威胁桥梁的安全运营。相比较于推倒重建，较明智的做法是对基础进行加固处理，因其具有加固周期短、对交通影响较小和经济、环保等优点。目前针对桥梁加固的研究很多，但大多集中于桥梁上部结构，对桩基加固还是相对较少，尤其是对桩基加固进行详细的受力分析方面。鉴于此，本文依托某高速公路桩基加固工程，对加固前后的桩基进行受力对比分析研究，以期为该类工程提供一定的理论指导和实践经验。

1理论分析

1.1工程概况

某高速公路连续梁桥立面如下页图1所示（六寨往河池为路线前进方向）。桥梁位于坡度为15°-25°的低山河谷地貌处，由于山体经长期剥蚀切割作用，导致地形连绵起伏，沟谷发育。桥梁上部为5x30m先简支后连续丁梁，下部结构采用双柱式桥墩和肋板式桥台，墩台均采用桩基础。

由于4#和5#桥墩处原设计为桥台，后经过施工变更，按桥台桩基嵌岩要求进行设计施工。然而，从基础加固前补钻的地质资料分析：4#墩桩基左侧3根桩基嵌岩深度约为7m左右，右侧3根桩基还处在强风化泥岩层内，不满足嵌岩要求;5#墩桩基左侧3根桩基嵌岩深度约为7m左右，右侧3根桩基刚进入中风化泥岩，不满足嵌岩要求。

在连续暴雨的影响下，该桥第5跨与桥台间出现横向错动，4#墩和5#墩上T梁发生橫向移动（墩顶位移如表1所示），4#和5#盖梁均出现裂缝。结合地质资料可知，4#和5#墩已经不能满足继续运营要求，提升其承载能力显得十分必要和迫切。且相较于拆除重建，加固的优势更加明显，不但对交通影响小，还能以较小的成本满足要求。因此本文将依托该工程，对加固前后的桥墩进行受力分析。

1.2 上部结构计算分析

为了便于计算，对上部结构和下部结构进行单独分析，其中上部结构分析中的支座反力结果作为下部结构的边界条件。上部结构有限元模型如图2所示。采用梁格进行模拟，主梁、横梁均采用梁单元，模型中边界位置与实际位置一致，共1102个单元、915个节点。

分别计算结构在一期和二期作用下，盖梁自重和车道荷载下的支反力，其中4#墩和5#墩处的支反力如表2所示。

由表2可以看出，支反力中车道荷载相比于结构自重所占比例较小。因此，在正常运营中，车辆荷载变化对桩基受力影响相对较小，这就为不中断交通进行加固提供了可能。为安全起见，加固施工前，根据监测结果对结构进行应急加固，对锚索进行补张拉，每个锚固点处的张拉力为250kN。

1.3基础受力分析

拟通过新增桩基来提高4#和5#墩承载力，同时将新增桩和旧桩通过承台连接在一起，以此达到新旧桩共同受力的效果。因此，在原有4#墩基础附近增加5根新桩基，桩基的深度比原有的桥墩增加15m（见图3）.在5#墩基础附近增加2根新桩基，深度增加8m（如图4所示）。新桩基直径与旧桩直径均为1.8m，新桩基底部均嵌入到中风化泥岩内。承台联结时需对旧承台面凿毛，采用螺纹钢筋梅花布置植筋，保证新旧承台联结牢固。

为了对比桩基加固前后受力状态的变化，分别建立桩基加固前后实体有限元模型（如图5-8所示）。模型中考虑岩土对桩基的作用，桩基入岩深度按照实际情况模拟，采用弹性约束模拟最不利滑坡状况下的岩土边界，滑坡面为强风化和中风化交界面。计算参数取值如表3所示。

通过表4可以看出：（1）在樁基加固前4#基础部分桩底反力超过了承载能力容许值，5#基础部分桩底反力接近承载能力容许值（表中加粗部分），这是导致桩基偏位过大的主要原因;（2）加固前各桩底反力相差较大，使得基础发生不均匀沉降，导致上部结构发生侧倾的风险加大，加固后由于新增承台的作用，使各桩受力更加均匀，且各桩反力均远小于承载能力。

为了进一步验证加固效果，提取5#墩处各桩基加固前后桩顶截面内力（如下页表5所示）。通过表5可以看出：（1）同桩底反力对比结果类似，加固前各桩轴向力分布十分不均匀，而加固后轴力相对较均匀;（2）加固后的剪力和弯矩值虽然有一定程度的增加，但是均远小于各桩抗力。产生增大的原因主要是由于加固后下部结构属于偏心受压。

2 工程验证

上一节通过对桩基加固后的受力进行分析，发现通过“增加桩基、扩大承台”的加固方式是可行的。为了验证该加固方法的可靠性和桩基加固后受力分析的正确性，对依托工程的4#和5#桩基进行加固。加固施工中和加固后均对桩顶进行连续监测（监测点如图9所示），其中4#墩桩顶加固后连续100d的监测结果如图10所示。

桩顶位移连续监测结果和相应结论如下：（1）施工期间，桥墩位移偏移量较小，整体基本趋于稳定，说明加固过程中结构是安全的，施工方式是可靠的;（2）运营期间，桩基偏位基本不变，说明结构经过加固后趋于稳定，进一步验证了加固方式的有效性，也说明了本文对桩基受力的分析是正确的。

3 结语

高速公路位于地质复杂的山区或岩层薄弱的泥岩地区十分常见，使得桥梁基础发生偏位的概率大大增加。基础偏位一旦过大，将直接影响桥梁的安全运行。本文依托某高速公路桥墩偏位过大、基础需要加固这一工程实际问题，分别建立了桥梁的上部和桩基结构有限元模型，将上部结构得到的支反力结果带入桩基结构模型中，进而获得了加固前后桩基结构的受力状态，并通过实际工程验证了理论计算的正确性和基于“增加桩基、扩大承台”加固方式的可行性。本文的研究结果可为类似工程提供经验参考。