软土地区地面堆载对桥梁下部结构的影响分析

王晓佳 张启伟

（同济大学土木工程学院，上海200092）

0 引 言

工程中的大面积堆载是一种常见的现象，然而长期以来，其产生的危害始终未能引起足够的重视，因地面堆载导致土体扰动、造成既有结构损坏的事故时有发生［1-4］。

研究表明，地面大范围堆载会对周边桥梁墩台及基础产生两方面的不利影响：其一，桩周土体产生侧移，引起桩身挠曲，桩身承受过大的弯矩出现混凝土开裂，同时承台基础产生过大的水平位移及扭转，桥墩产生过大的倾斜造成上、下部结构在支座处产生偏移，严重时支座结构不能正常使用；其二，大范围堆载会在桩周产生负摩阻力，增加桩的竖向荷载并使基础产生显著的不均匀沉降，对超静定结构形式的主梁将产生较大的附加力，影响结构安全［5］。

本文以某软土地区桥梁为例，运用Midas GTS NX软件建立三维数值分析模型，分析地面堆载对桥墩基础造成的沉降及侧移的影响，并将模拟计算结果与现场实测数据进行对比，验证模拟计算的合理性，依据计算及现场验证结果确定基础加固与否的判断标准，根据该标准制定了桥墩、基础、主梁及支座的修复方案，为同类不良堆载情况的安全评估及修复提供借鉴和参考。

1 工程概况

本工程位于某软土地区一立交桥的匝道处，因周边新建项目的大范围开挖，将废弃渣土堆积至该匝道桥梁所在区域。测量显示堆土区域总体呈椭圆形状，堆土范围南北方向长约120 m，东西方向宽约110 m，堆土面积约9 900 m2，堆土平均高度4 m，局部接近8 m，总土方量约39 000 m3，堆土范围与桥梁结构的平面关系如图1所示。

图1 桥梁与堆载平面位置关系Fig.1 Plane position relationship between bridge and mounds

废弃渣土堆放时，忽视了大面积、高堆载对现有软土地基的影响，堆载产生的附加压力导致该区域软弱土体出现水平移位和竖向沉降，造成该匝道桥16#～22#桥墩出现不同程度的倾斜和下沉。在19#墩伸缩缝处由于主梁与桥墩产生相对水平移位，引起西侧支座外移22 cm，支座2/3 范围处于脱空状态，如图2 所示，继续发展将有落梁的风险，存在较大的安全隐患；检查同时发现东西侧两联主梁端部在19#墩伸缩缝处产生了6.5 cm的错台现象。发现桥梁险情后，相关人员随即在19#墩处加设临时支撑措施，对主梁加设横向限位装置，再分层卸载匝道范围内的堆土，并同步进行桥墩的沉降和倾斜监测。

图2 支座移位及脱空Fig.2 Bearing offset and disengagement

受堆土影响范围内的桥梁为两联跨径组合为［（22.5 m+25 m+22.5 m）+3×25 m］的混凝土连续梁桥，桥墩为独柱墩结构，墩高为14.4～15.9 m，桥墩基础均采用6 根直径60 cm 的PHC 管桩。堆土影响范围的桥梁立面布置图如图3 所示。堆土范围内的土层主要物理力学性质见表l。

2 数值分析

2.1 计算模型

现场实测表明堆土影响范围内，17#～20#墩沉降量（或侧移量）较大，因此对17#～20#桥墩立柱、承台及桩基结构按实际尺寸建立三维有限元模型，所采用的材料参数依据竣工图纸资料选取。

根据圣维南原理［6］，地面堆载对周边应力影响范围在堆土范围的3～5 倍，因此选取土体模型的计算尺寸为360 m×360 m×60 m（厚度）。分析模型的竖向底部采用全自由度约束，侧面采用法向约束。模型中采用六面体实体单元对土体、立柱、承台进行模拟，桩基础采用梁单元进行模拟。模型节点总数55 058个，单元总数59 571个，计算模型如图4所示。

图3 桥梁立面布置（单位：m）Fig.3 Elevation view of the bridge（Unit：m）

表1 土层土体基本参数Table 1 Soil constitutive parameters of soil layers

图4 有限元计算模型Fig.4 Finite element calculation model

将上部结构荷载（主梁荷载、铺装及防撞墙等二期恒载）换算为竖向集中荷载，加载至每个桥墩墩顶部位，集中荷载大小为5 300～5 600 kN。将现场实测堆土体积按重量换算成均布荷载，加载至模型中对应的区域，换算均布荷载为55～140 kN/m2。

2.2 计算荷载步

地基土层经过长时间的堆积荷载后已经固结完毕，模型分析时首先平衡地应力，将土体沉降完成的状态作为初始状态，再进行后续结构的分析计算。模型计算分析步骤如表2所示。

表2 模拟计算步骤Table 2 Simulation calculation step

2.3 计算结果分析

17#～20#墩基础沉降及侧移的模拟计算结果如图5 所示。计算和实测的承台沉降及侧移比较如图6 所示。计算和实测结果均表明大范围地面堆载会使桥梁下部结构产生显著的沉降，且堆土高度越大沉降值也越大，堆土产生的既有结构最大沉降发生在19#墩处，承台处实测沉降值为10.4 cm；堆土同时引起桥墩基础发生侧移，在不均匀堆土区域和堆土的边坡附近影响较为明显，堆载产生的既有结构最大侧移位于18#墩处，承台实测侧移达38.9 cm。计算同时表明，18#墩处桩身最大拉应力发生在距承台底面约1.2 m处，为14.4 MPa，远超出混凝土抗拉极限强度，表明桩身已破坏。

图5 模拟计算结果Fig.5 Results of the simulation

图6 承台沉降及侧移Fig.6 Settlement and horizontal displacement of the caps

计算结果显示，当承台侧移达到16.5 cm 时，桩基极限抗力刚好满足规范要求［7］。对现场部分桩基进行局部开挖验证，发现实际情况与计算结论基本相符。因此，以承台侧移量是否超过16.5 cm作为该桥桩基础加固与否的评判标准。

3 桥梁修复

桥梁检测及评估结果表明，需尽快对该桥实施修复工作，以消除结构安全隐患，恢复桥梁的正常使用。

3.1 桥梁修复实施原则

（1）部分桥墩基础沉降及侧移较大，对应的桩基础已破坏，墩梁相对移位较大且有落梁的风险，应对桩基础进行加固，对梁体进行顶升和纠偏复位，对滑移过大的支座进行重新安装或更换，使桥梁恢复到正常使用状态。

（2）由于匝道桥交通压力大，维修、加固过程中需尽量保持交通不中断，减少对车辆通行的影响。

（3）处置后的效果需达到原有结构的设计承载力，且不能降低交通营运的能力和质量。

3.2 基础及桥墩立柱加固

根据桩基础加固判断标准，17#～19#墩承台偏移超限，桩基础已破坏需要进行加固，以往类似的工程中主要采用承台纠偏及桩基加固的方式进行处理。承台纠偏通常利用完整性较好的岩体提供反力支撑，采用预应力锚索进行纠偏加固，本工程所在软土地区无可靠的锚固点，因此加固采用新建承台及桩基的方案。现场实测表明，桥墩立柱最大倾斜度为0.3%，倾斜未引起墩身出现明显病害，立柱变形仍以整体平移和转动为主，除19#墩外，其余桥墩立柱仍可利用无须加固。对位于伸缩缝处的19#墩，可通过增大立柱断面尺寸的方式进行加固处理。具体过程如下：

17#～19#桥墩处新建直径为100 cm 的钻孔灌注桩，单个承台两侧共设置4 根，采用GPS15 循环钻机进行成孔施工，导管法进行混凝土灌注。在原桥墩承台顶面新建承台构造，采用明挖基坑法进行施工，基坑开挖完成后进行桩头破除和垫层浇筑，新老承台之间和新承台与既有桥墩立柱之间，采用植筋工艺加强连接，重点做好新老混凝土结合面的凿毛处理，以确保结合面的连接质量。对19#桥墩立柱截面进行加大，将桥墩立柱由原截面180 cm×180 cm 加大至250 cm×250 cm，施工时在原有立柱表面进行植筋，作为立柱加强箍筋的连接钢筋，保证新老结构可靠连接。

3.3 梁体偏位调整及支座更换

实测主梁线形表明，16#～19#墩范围主梁侧移量较大，是造成19#墩伸缩缝处主梁与相邻梁段间产生错台的主要原因，需要对该联连续梁进行梁体偏位的纠正，实测19#～22#墩范围主梁侧移量较小，不再进行梁体位置调整。17#、19#墩处球形钢支座纵向滑移量远超出设计位移限定的10 cm，因此还需对支座的纵向支撑位置进行调整。另外，18#～20#墩处基础沉降量较大，桥墩之间最大差异沉降达6 cm，使上部结构连续梁产生较大的附加内力，显著降低了主梁的承载能力，需对主梁的支撑点高度进行调整。具体实施过程如下：

对17#～19#墩处主梁进行逐一顶升后，在原支座下方设置四氟滑板以便于梁体纠偏，在17#～19#墩的墩顶安装纠偏钢牛腿和纠偏千斤顶，割除墩顶处原主梁横向限位挡块，完成纠偏准备工作，对桥面交通进行临时封闭后，通过纠偏千斤顶同步加载对梁体偏位进行调整，待梁体复位完成后，重新安装主梁限位装置。再对17#～20#墩处支座进行更换，支座更换不需要封闭交通，桥面车辆可正常通行，支座更换采用同步顶升工艺，每次进行一个墩的支座更换。为减小支座偏移对桥墩立柱的偏心作用，新安装的支座以混凝土箱梁下垫石原支座上钢板为准，并在纵、横方向加以适当的调整，确保满足施工安装要求和桥墩受力要求。针对18#～20#墩处基础沉降较大的情况，通过增设墩顶支座预埋钢板进行支撑高度的调整，从而达到恢复主梁支撑点高度的目的。

3.4 修复效果评价

桥梁维修及加固实施后的实测结果表明，与堆载前相比，主梁平曲线最大偏差小于2.0 cm，主梁墩顶处的高程偏差小于1.0 cm，19#墩伸缩缝处主梁与相邻梁段间错台小于0.5 cm。维修、加固完成后的12 个月监测数据显示，基础最后100 天的最大沉降速率小于0.01 mm/d，认为已达到规范［8］的沉降稳定测试要求；该桥承台最后1个月内侧移量小于0.1 mm，承台累计侧移量小于3 mm，基本稳定，修复效果良好。

4 结 语

本文以某软土地区匝道桥处土体堆载为背景，模拟分析堆载对既有桥梁沉降及侧移的影响，结果表明，大范围、高堆载将使基础产生较大的沉降及侧移，而软土地区堆载引起的基础侧移更为显著，是造成桩基破坏的主要原因，通过理论计算结合实测验证，制定了桩基加固与否的评判标准。结合软土地区的工程特点，制定了基础及桥墩的加固方案、梁体偏位调整及支座更换方案，维修实施后经后期监测表明维修效果较好，桥梁结构已恢复至较好状态。现场检测与监测表明，该桥桩基的模拟计算与评判方法有效可行，维修方式适宜，对同类工程具有借鉴作用。

然而，桥梁管养部门应高度重视地面堆载对桥梁结构的影响，在役桥梁结构周边的工程施工时，应尽量避免将弃方堆于桥梁墩台周围，若不可避免时，则必须严格控制堆载的范围及方量，避免堆土引起桥梁灾害事故的发生，防患于未然。