梁桥加宽桩基础沉降差控制技术分析

2021-10-25李秋阳

工程技术研究 2021年17期

李秋阳

北京中咨华安交通科技发展有限公司，北京 100080

新旧桥梁由于建设时间的差异，导致桩基出现不同程度的沉降，形成沉降差。这种沉降差严重时会导致桥面铺装出现纵向裂缝，使桥梁发生毁坏。针对该现象，我国相关学者进行了理论分析和数值模拟等研究，虽然取得了一些成果，但是该类问题的解决方案仍然需要完善。周建[1]通过蠕变模型对桩底的附加应力进行分析，总结了适合桩基工后沉降的计算公式。高盟[2]通过剪切位移法，提出了桩基沉降的分析算法，并推导出位移与轴力之间的关系。王东栋[3]分析出了桩顶沉降的解析方法，经过反算得到一定时间范围内的桩顶沉降数值解。以上学者的研究为该课题提供了分析方法，但仍需一定的理论分析，因此文章具有一定的理论意义。

1 案例分析

1.1 工程概况

文章依托工程为某高速公路，其中标段的桥梁为扩建工程。该高速公路进行改建前为双向四车道，随着交通流量的逐年增长，车道数不能满足现行要求，因此需对该段进行扩建，扩建后的车道数为双向八车道。项目所在地地形复杂，土的压缩系数较大，地层岩性和结构不同，易产生不均匀沉降。原桥的沉降变形已经完成。

1.2 模型建立

桥梁桩基所受的承载力由岩土体的摩阻力和桩端阻力共同提供，因此在进行模型建立时需对网格进行划分，以此反映桩土的相互作用。在建立新旧桩基的沉降差异控制模型时，应采用实体单元。为了保证计算结果的精确度，对模型应进行以下规定：X表示行车方向；Y表示桥梁的横向；Z表示桩基的方向。

2 桩基承载特性分析

文章通过有限元建立A大桥模型，并对旧桥的桩基特性进行分析。通过相关计算得出桩基极限承载力、允许承载力、上部恒载、沉降量，结果如表1所示。

由表1可知，原桥的桩基承载力达到允许值时，产生的变形量为12.9mm，通过对旧桥的结构自重进行相应的计算可知，单桩桩顶产生的恒载为2500kN，沉降量为2.2mm。

表1 旧桥计算结果

通过相同的方法对新桥的桩基承载特性进行分析发现，新桥的桩基承载力达到允许值时，产生的变形量为13.2mm，通过对新桥的结构自重进行相应的计算可知，单桩桩顶产生的恒载为2800kN，沉降量为1.9mm。

3 桩基沉降控制技术

3.1 注浆沉降控制

通过对桩基周边的地基进行加固可以看出，桩基所在岩土层由多种不同岩层组成，每一层岩层的物理特性不尽相同，因此岩土体提供的摩阻力存在一定的差异。在进行注浆施工时，注浆工艺、注浆材料不同，最后导致加固后的桩基承载力也不同[4-7]。因此文章以土层的物理参数作为变量，建立了不同的工况，具体如表2所示。

表2 不同物理参数下的工况

文章采用与原桥相同的基础形式，桩长为15m、桩径为1.5m，通过计算分析来表明注浆对桩基承载力的影响。

（1）极限承载力变化情况。根据不同工况建立桩基力学模型，通过改变土层的物理参数绘制荷载-沉降曲线。对原桥的桩基、不同工况下的桩基进行承载特性分析，结果如图1所示。

图1 桩基承载力变化曲线

由图1可知，注浆强度越高，桩侧阻力也出现增大的趋势，桩端阻力的数值变化不明显。对数据进行分析可以看出，注浆后的桩侧阻力比未注浆工况分别增加了14.3%、20.0%、26.3%和26.9%。桩端阻力的数值变化较小，但其占桩基础极限承载力比值减小。

（2）桩基沉降变形分析。以未注浆的桩基容许承载力作为基准，与其他工况进行对比，分析桩基在荷载作用下注浆前后沉降控制效果。桩基注浆前后沉降变形图如图2所示。

图2 桩基注浆前后沉降变形图

由图2可知，在9605kN的荷载下，桩基的沉降量随着注浆参数的增大而出现降低的情况。工况4的沉降量最小，数值约为9mm，相比于未注浆工况沉降量减少了约2.3mm。通过数值分析可得出，桩侧注浆技术在原桥桩基沉降控制中的效果较好。

（3）恒载、容许承载力分析。不同工况下的荷载值如表3所示，由表3可知，注浆强度由工况2到工况4变化过程中，容许沉降量基本保持稳定。数值变化表明，提高岩土体的物理力学性质，桩基加固的效果并不明显。注浆强度为注浆3时，桩基容许沉降量基本没有变化，这是因为注浆强度不仅与工况桩侧注浆的强度有关，还与施工工艺、施工方法有较大影响。

表3 不同工况下的荷载值

3.2 增加桩数

为了研究桩数对承载力及桩顶沉降的影响，文章设定了以下三种工况：单桩、双桩、三桩。双桩工况下，两桩基础间的距离为3m[8-10]；三桩工况下，两桩间的距离为2.83m。桩长的取值为20m，桩径的取值为1.5m。

（1）极限承载力。当桩数量由1根变为3根时，桩端阻力出现增大的变化趋势，但桩侧摩阻力随着桩数的增加而逐渐减小，桩侧摩阻力分别为极限承载力的72.3%、68.5%、67.9%。

（2）桩基沉降变形。当桩的数量增加时，桩基的承载力也会增加，相比于极限承载力作用时，桩顶沉降量呈现出增长的趋势。此时的桩基荷载控制值以旧桥的单桩容许承载力10521kN为基准。沉降变化如图3所示。

图3 沉降及沉降差变化图

通过对图3进行分析可知，在10521kN的荷载作用下（旧桥桩基础容许承载力），双桩的基础沉降为6.6mm，相比于单桩作用下产生的沉降减少了52%；三桩产生的基础沉降为4.6mm，相比于单桩作用下产生的沉降减少了63.8%。

（3）恒载、容许承载力。通过对模拟后的数据进行分析发现，桩数增加，桩基承载力总体出现增长的趋势，而容许承载力作用下，沉降量则表现为降低的趋势。单桩作用下，沉降量为12.7mm；双桩作用下，沉降量为14.1mm；三桩作用下，沉降量为14.7mm。虽然沉降量的数值在增大，但容许承载力也在变化，分别为10521kN、19304kN和26185kN。容许承载力增长的速度比沉降量增大的速度要快。

3.3 增加桩长

文章以A大桥原桥的桩基为依托，桩长取值间隔为3m、2m、2m、3m，通过桩长的变化来分析桩基承载力和桩基沉降的变化情况[11-12]。原桩的桩长为15m、桩径为1.5m，现保持桩径不变的情况下增加桩长，分别为18m、20m、22m和25m，对不同的桩长分别建立分析模型，通过分析来说明桩长对桩基的影响情况。

（1）极限承载力。桩顶沉降变化图如图4所示，由图4可知，当桩长增加时，相比于原桥，沉降曲线变化较为缓和。沉降值相同时，桩长增大，荷载值也增大。通过该分析可知，桩长增加，桩基承载力增大。

图4 桩顶沉降变化图

（2）桩基沉降变形。在10521kN的荷载作用下（旧桥桩基础容许承载力），桩长为18m的桩基产生的沉降比15m的降低了21.3%；桩长为20m的桩基产生的沉降比15m的降低了31.5%；桩长为22m的桩基产生的沉降比15m的降低了37.8%；桩长为25m的桩基产生的沉降比15m的降低了45.7%。该变化说明，增加桩长可以有效地控制加宽桥的沉降差。在荷载作用下，随着桩长的增加，桩长对沉降量的影响效果逐渐降低。该现象说明，只通过增大桩长来对沉降控制的措施不经济。

（3）恒载、容许承载力分析。当桩长大于20m时，恒载作用下的沉降值大致保持在1.4mm，该数值变化说明，桩长大于20m时，承载能力增强，沉降不会增加。在实际工程中，导致桩基沉降的主要原因是恒载的作用，因此仅仅通过增加桩长降低沉降是不够经济的。