基于大填方作用下某桥桩基承载力及路堤稳定性研究

李 平

（滨州公路工程有限公司，山东 滨州 256600）

0 引言

登汝高速公路下穿某桥第5、6孔，5号墩位于该高速路基中间，路基填筑量较大，极有可能导致桩周边土层压缩下沉量较大，对桩身产生不利的负摩阻力。为保证运营安全，本文对该桥梁桩基承载力及附近路堤工程稳定性进行研究，以便为后续处置提供依据。

1 工程概况

郑州至登封快速通道改建工程全长73.616km，按一级公路兼具城市道路标准建设，设计速度为80km∕h，路线向西南而行，在火龙沽堆与规划的登汝高速相交于某大桥。该桥属于郑州至登封快速通道改建工程的一座新建桥梁，桥梁中心桩号为K59+738，全长247m，桥面横坡为双向2%，纵断面位于R=6653.979的竖曲线上。桥梁横断面为分离式双幅，单幅桥面全宽15.98m，净宽12.635m，桥宽组合为0.345m 防撞护栏+12.635m 行车道+3.0m 人行道。桥梁设计荷载等级为公路-I级；上部结构型式为两联4孔30m后张预应力混凝土小箱梁，先简支后连续，单幅横桥向布设5片小箱梁；下部结构采用柱式桥墩，肋板式桥台，钻孔灌注桩基础；两桥台处采用80型伸缩缝，4号墩处采用160型伸缩缝；桥台及4号桥墩采用GYZF4300×65型四氟滑板式橡胶支座，其余桥墩采用GYZ450×84型板式橡胶支座；本桥1、2、3、7号桥墩下部桩基为嵌岩桩，其余桥墩及桥台桩基为摩擦桩。其中，登汝高速公路下穿该桥第5、6孔，5号墩位于该高速中间。登汝高速与郑登快速通道王家窑大桥交叉，交叉桩号K1+689.347。大桥4#、5#、6#墩埋置填方路基内，登汝高速K1+500～K1+800段位填方路基，填方总量17.6万m3。

2 桥位处土层力学参数

根据4#墩、5#墩、6#墩附近地质钻孔资料，桥位以下桩基穿越的土层为粉质黏土、强风化砂岩、中风化砂岩、微风化砂岩，桩位附近钻孔土层的试验力学参数如表1所示。

表1 土层力学参数

3 桥梁桩基承载力验算

3.1 恒载及车辆荷载

桥梁桩基主要承受上部结构、盖梁、墩柱的自重恒载和汽车荷载、风荷载等荷载，并将荷载传递给地基。利用迈达斯Civil2019分别建立下部结构模型。

桥梁单幅桥面净宽为12.635m，根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）按三车道加载，分别按照内侧偏载、对称布载、外侧偏载布置，并考虑横向折减及冲击系数μ=0.183；设计人群荷载为3.0kN∕m2，人行道设计宽度为3.0m。

将在上部结构恒载及汽车荷载作用下，各梁底支座反力按实际位置作用于盖梁，再与盖梁及立柱自重作用下产生桩顶反力累加，最终得出恒载及活载作用下桩顶反力。通过对4#墩、5#墩、6#墩进行比较，选择三者桩顶反力最大一根桩进行验算，见表2。

表2 恒载及活载作用下6#墩各桩顶反力值

由表2计算结果可知，在恒载及活载作用下，内侧偏载6-3#桩顶反力最大，R6-3=5486.7kN，因此6#墩选择6-3#桩进行验算对象。

3.2 汽车制动力

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）4.3.6条，汽车荷载产生的制动力标准值按加载长度上车道荷载的10%计算，且公路-Ⅰ级汽车荷载制动力标准值不得小于165kN，同向三车道为一个车道的2.34倍。

汽 车 制 动 力：FZ=10%×[(120×10.5)+360]=162kN ＜165kN，取单车道制动力为165kN，单向三车道制动力为2.34×165kN=386.1kN

进行各墩台支座抗推刚度计算，第2联桥梁各墩台支座抗推刚度比及各墩制动力分配值如表3所示。

表3 第2联墩台制动力分配值

由表3 可知，第2 联作用于6#墩顶汽车制动力FZ=102.81kN，作用于6-3#桩顶的汽车制动力102.81=34.27kN。

3.3 风荷载

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）4.3.7条，作用于盖梁纵桥向迎风面的风荷载标注值按下式计算：

Fwh=k0k1k3WdAwh

式中：

k0——设计风速重现期系数；

k1——风载阻力系数；

k3——地形、地理条件系数；

Wd——设计基准风压；

Awh——迎风面面积。

相关计算系数与参数均按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）取值。盖梁迎风面面积计算如下：

Awh=31.56m2

则纵桥向作用于6#墩盖梁上的风荷载标准值：

Fwh=0.9×1.00×1.00×0.86×31.56=24.42kN

则作用于6-3#桩顶的风荷载：

3.4 桩顶荷载组合

3.4.1 基本组合

按承载能力极限状态设计，结构重要性系数取1.0，按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）4.1.6条进行荷载组合。

3.4.2 作用短期效应组合

按正常使用极限状态设计作用短期效应组合，永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应组合。

3.5 单桩负摩阻力计算

当桩周土体因某种原因发生下沉，其沉降变形大于桩身的沉降变形时，在桩侧表面的全部或一部分面积上将出现向下作用的摩阻力，称为负摩阻力，如图1所示。

图1 桩的正、负摩阻力

负摩阻力不但不能成为桩承载力的一部分，反而变成施加在桩上的外荷载，对于入土深度相同的桩来讲，若存在负摩阻力，则桩的外荷载将变大，桩的承载能力相对下降，桩基沉降加大。

桩的负摩阻力产生的主要原因有：（1）在桩附近地面大量堆载，引起地面沉降；（2）土层中抽取地下水或其他原因，地下水位下降，使土层产生自重固结下沉；（3）桩穿过欠压密实土层（如填土）进入硬持力层面，土层产生自重固结下沉；（4）在黄土、冻土中的桩，因黄土湿陷、冻土融化产生下沉。

登汝高速公路下穿该桥第5、6孔，登汝高速路基设计标高为331.529m，而该桥5#墩桩顶设计标高为330.821m，在312.821～330.821m高度范围内为深沟，在修筑登汝高速路基过程中，施工单位对该高度范围的深沟进行填筑，填料总厚度合计为21.3m，其中灰土2m，约占填料总厚度的9%；素土5.6m，约占填料总厚度的26%；碎石10.5m，约占填料总厚度的49%；卵石土3.2m，约占填料总厚度的15%。按照《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）5.3.2节的方法计算5#墩的单桩负摩阻力，计算公式如下：

假定桩周沉降变形土层厚度为填料厚度，根据持力层性质，中性点的深度系数λ建议取为0.9，但考虑到底层灰土处理等因素影响，中性点的深度系数λ取为0.7，则中性点深度h=0.7×21.3=14.9m。负摩阻力系数β值为安全起见，取类似土的相对较大值：灰土、素土取0.3；卵石土取0.4；碎石取0.5。可求得6#墩单桩摩阻力为：

3.6 桩侧土压力计算

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）4.2.3-10条规定，作用在桩柱上的土压力计算宽度为：

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）4.3.4-1条规定，汽车荷载引起的土压力采用车辆荷载加载，可按下式换算成等代均布土层厚度h（m）计算：

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）4.2.3条相关规定，压实填土重力的竖向和水平压力强度标准值可按下式计算：

土的重度、内摩擦角等按照相应各层填土厚度的加权 平 均 进 行 计 算，γm=21.7kN∕m3，φm=30.76°，λ=，偏安全考虑，取侧压系数为0.5。

根据均布条形荷载作用下土中应力计算方法、三角形分布条形荷载作用下土中应力计算方法等进行简化计算：P1=2.37kPa、P2=50.23kPa、P3=54.67kPa、P4=44.79kPa。考虑桩侧土弹簧系数，利用MIDAS Civil建立模型进行桩身受力分析（见图2）。其中6-3#桩顶水平荷载设计值Fh=40.13kN，竖向荷载设计值Fv=5547.86kN，桩顶弯矩设计值Md=513.66kN.m。当考虑负摩阻力影响时，6-3#桩底总荷载为5547.86kN，大于单桩承载力5132.1kN。

图2 桩侧土压力分布图

4 路堤稳定性验算

登汝高速与郑登快速通道王家窑大桥交叉，交叉桩号K1+689.347，交叉角度135°。王家窑大桥4#、5#、6#墩埋置填方路基内，登汝高速K1+500～K1+800段为填方路基，填方总量17.6万m3。根据施工单位提供资料，填料总厚度合计为21.3m，其中灰土2m，约占填料总厚度9%；素土5.6m，约占填料总厚度26%；碎石10.5m，约占填料总厚度49%；卵石土3.2m，约占填料总厚度15%。

因路堤稳定性分析的既有路堤碎石、卵石土等强度参数试验难以实施，本次验算取用强度参数参考规范文献等资料并结合咨询省内部分专家的意见确定。通过理正软件进行计算，路堤稳定性满足要求。

5 结束语

（1）在设计荷载下，按设计图纸和地勘资料提供的地质等参数，该大桥按实际施工顺序，考虑负摩阻影响时，6#墩竖向承载力不满足设计要求，比设计值低8.1%。

（2）鉴于近期该桥已进行试运营通车，考虑到通车后重载及交通量较大等情况，为保证桥梁运营安全，建议尽快委托具有相关资质的单位对桥墩沉降、桥墩水平位移、墩址填土路堤地表和深部变形进行连续跟踪监测，若有安全隐患，及时采取交通管制等措施保障运营安全。

（3）依据参考规范文献等资料并结合咨询省内部分专家确定取用的强度参数，路堤稳定性验算结果为路堤处于稳定状态。结合现场考察，建议该桥及时设置安装排水管，防止泄水孔处漏水冲刷路堤形成冲沟；并建议做好填土路堤排水工程，加强填土路堤巡视检查，观察边坡及周边情况，地表及边坡是否有新的裂缝产生，已有裂缝的变化情况，边坡是否有土体坍塌，并按相关要求详细记录时间、地点、规模等内容。