桩基不均匀沉降对桥梁上部结构影响分析

刘漳，胡捷

（浙江交工集团股份有限公司设计院分公司，浙江 杭州 310000）

1 桩基不均匀沉降原因及特性

1.1 不均匀沉降原因

引起桥梁桩基础不均匀沉降的原因较多，主要包括内因和外因两个方面，内因主要取决于桩基持力层地基土的性质，即桩基础所处的持力层不同，土体的孔隙比、含水率和压缩性也存在一定的差异，在反复车辆荷载作用下持力层土体的水压力不断消散，有效应力提高，孔隙体积减小，而不同性质的土体孔隙体积被压缩的程度不同，从而使桩基础产生不均匀沉降[1]。

桩基不均匀沉降的外因主要包括以下几个方面：第一，地质勘察不准确。桩基在设计之前必须有详细的地质勘查资料，但是目前桥梁工程设计普遍存在工期紧张的问题，导致前期地勘作业不充分，所取得的地勘成果（承载力、地下水位、桩侧摩阻力等）精度不够，无法反映真实的地层情况，导致桩基设计参数不合理；第二，承受荷载不均匀。因施工测量放样不准确，桩基础位置与设计存在一定的偏差，就会导致桩基础在桥梁结构运营期间承受的外界荷载差异较大，从而产生不均匀沉降；第三，桩基础建设时间相差较大。如果桥梁桩基础分期建设，前期建设的桩基础持力层已经充分固结沉降，后期建设的桩基础还处于欠固结状态，此时新老桩基础之间会存在不均匀沉降；第四，如果桥梁桩基础设计时坐落于滑坡体、溶洞、断层等不良地质，但是桥梁结构完工后原有地基条件发生变化（如滑坡、岩溶塌陷等病害），也会导致桩基不均匀沉降[2]。

1.2 不均匀沉降特性

桩基础不均匀沉降是桥梁结构设计需要考虑的关键内容之一。工程技术人员通常是根据桩基持力层土体的平均物理力学参数，利用“分层总和法”来计算桩基沉降值，这种计算方法属于确定性的计算方法。然而，土体成分复杂，具有各向异性，加之勘探、取样、试验等随机性，使得不同位置桩基持力层土体性能指标差异较大，此时用分层总和法计算桩基不均匀沉降会存在较大的误差。

根据《公路工程结构可靠性设计统一标准》（JTG2120—2020）、《AASHTO荷载和抗力系数桥梁设计规范》等规范的要求，变异系数是评价桩基不均匀沉降的重要参数。通常情况下，公路桥梁桩基础沉降的变异系数可取0.25[3]。

2 桩基沉降计算方法分析

桥梁结构的桩基础沉降主要由三部分组成，分别是桩底持力层压缩变形、桩端刺入土体的深度及桩体压缩[4]。

其中，桩底持力层压缩变形会随时间的变化而变化，即土体出现蠕变现象。此部分沉降是桩基沉降的主要组成部分，计算可利用Mesri蠕变模型，蠕变方程见式（1）～（2）：

式中：Eu为土体切线模量（Mpa-）；Su为土体切抗剪强度（kPa）；D为附加剪应力水平；t1为单位时刻；λ为蠕变模型参数。

式中：D为附加剪应力；Df为最大附加剪应力。

桩端刺入土体的深度与桩侧土体竖向变形基本保持一致，远小于桩底持力层的压缩变形。桩体压缩主要是桩基础在受到荷载的瞬间产生的，属于弹性变形，荷载消除后变形量能恢复到原状。

3 桩基不均匀沉降对桥梁上部结构影响

3.1 工程概括

为准确分析桩基础不均匀沉降对桥梁上部结构的影响，笔者以某公路桥梁改扩建工程依托，利用有限元软件MARC建立计算模型，分析了新旧桩基差异沉降对桥梁上部结构受力的影响。

该高速公路桥梁全长260m、总宽24m、双向四车道、桥轴线与河道交角为75°，盖梁宽12m，桥跨布置为5m×50m。桥梁的桥墩结构设计为单排双柱式，桩基础采用钻孔灌注桩，其中桩直径2.2m，桩长58m，具体尺寸如图1所示：

图1 桥梁桩基尺寸（单位：cm）

随着当地交通量的逐年增长，原有的桥梁已经无法满足交通需求，需要对桥梁进行加宽处理。目前改桥梁的加宽方案为双侧加宽，上部结构通过刚性连接来提高桥梁的整体稳定性，下部结构不连接。

3.2 计算模型建立

3.2.1 模型假设条件

在保证桥梁桩基沉降计算精度的前提下，可通过对计算模型的简化来提高计算效率。根据相关学者的研究成果可知，钻孔灌注桩沉降计算时可进行下列假设条件[5]：第一，桩基础和周围土体都可视作弹塑性体，受力和变形较复杂；第二，MARC软件模拟钻孔灌注桩的施工可不设置钢筋笼；第三，桩基础的在挖孔过程中不考虑时间效应；第四，忽略桩基础施工期间的机械设备、人员、临时荷载等因素的影响。

3.2.2 模型建立

为提高计算的精确度，MARC软件建立计算模型时均采用桥梁实际设计尺寸，桩基、桩周土体及网格划分均采用六面体的实体单元，网格尺寸为：桥梁上部结构取0.5m，其他部位取1m。

3.2.3 边界条件

为方便分析桥梁上部结构的受力和变形，统一规定X方向为道路横断面方向，Y方向为路线方向，Z方向为桩的压缩变形方向。模型计算过程中对旧桥桩基础的三个方向均进行位移约束（变形已经稳定），新桩X/Y方向进行约束，Z方向为自由边界，可发生沉降变形，以模拟新旧桩基的沉降差。

3.2.4 施工过程模拟

公路桥梁钻孔灌注桩基础施工包括制备泥浆→钻挖→清孔→下放钢筋笼→混凝土浇筑→质量检验等环节，MARC软件模拟钻孔灌注桩的施工是将其简化为若干个分析步和工况。具体如表1所示：

表1 桩基础施工模拟

3.3 计算结果分析

利用MARC软件对该桥梁新桩桩顶施加1mm、3mm、5mm、7mm位移（该位移可视作桩基间的不均匀沉降），计算出的桥梁上部结构的正应力和剪切应力如图2所示：

图2 桥梁上部结构受力云图

计算结果表明：新旧桩基础之间的不均匀沉降会导致桥梁上部结构所承受的正应力和剪应力存在明显的差异，且正应力和剪应力的最大值都出现在新桩基础的顶部，最小值出现在跨中截面位置。桥梁桩基不均匀沉降为1mm、3mm、5mm、7mm时对应的正应力最大值是0.36MPa、1.09MPa、1.84MPa和2.56MPa，剪应力最大值是0.47MPa、1.63MPa、2.68MPa和3.72MPa。

4 结论

本文详细探讨了桥梁桩基不均匀沉降产生原因、计算方法及其对桥梁上部结构受力的影响，主要得到以下几方面结论：（1）梁桩基础存在不均匀沉降会在上部结构中产生附加应力，主要与土体性质、地质勘察、测量放样、建设时间等因素密切相关；（2）桥梁结构的桩基础沉降主要由桩底持力层压缩变形、桩端刺入土体的深度及桩体压缩等组成，计算可采用Mesri蠕变模型；（3）基于MARC软件的计算结果表明，桩基础之间的不均匀沉降会导致桥梁上部结构所承受的正应力和剪应力存在明显的差异，最大值都出现在新桩基础的顶部，最小值出现在跨中截面位置。