桥墩倾斜偏位的仿真分析与处治

2022-10-11赖斌强

运输经理世界 2022年5期

赖斌强

（广东省南粤交通河惠莞高速公路管理处，广东广州 510199）

0 引言

桥墩是桥梁中主要的承重结构，其结构的安全性直接影响整桥的安全与稳定。基底软土因受到不平衡作用力后发生沉降及较大侧向变形的可能性较大，从而引发桩基处及临近墩柱变形，影响桥梁持续运营。桥梁桩基直径大、造价高，在表现出变形和偏位后几乎不可能在原位重新成桩，故对桥墩桩基纠偏处理就显得尤为重要。

1 工程概况

某桥梁左幅桥跨径为3×30m+4×30m+3×30m，上部为预应力混凝土简支转连续梁，桥面纵坡度2.5%，桥头高差8.1m，桥宽12.25m，两侧分别设置0.5m 宽的防撞护栏。左幅1～3墩和6～8墩为双柱式墩，墩身圆立柱直径1.0m，高8.5～13.5m，柱间距4.5m；柱顶部设置1.3m 高、1.6m 宽的盖梁，柱下方灌注桩基础直径为1.2m，桩长最大为24m，均采用摩擦桩形式。4、5墩为交接墩，均采用实体矩形墩形式，墩高12.5m，横桥向和顺桥向长度分别为5m 和1.5m，墩身下方为7.3m 长、5.2m 宽、2.0m 高的承台。除左幅9台为重型桥台外，其余均采用轻型桥台形式。该桥梁设计标准为公路-Ⅰ级，设计荷载为汽车-20 级，挂车-100。

2 桥墩倾斜偏位检测

对该桥梁左幅0台～2墩、7墩～9台桥墩偏位展开检测，结果显示，主梁及桥面系均无异常，0台2个支座存在严重剪切变形，1墩2 个支座破损，其余支座全部脱落；8墩6 个支座破损，其余2 个支座全部脱落；9台所有支座均局部脱空。盖梁、墩柱、系梁并未表现出开裂、破损等病害，但是0台、1及2墩、7及8墩盖梁顶中心向河流侧偏移0.045m、0.421m、0.110m、0.052m、0.234m，9台相对位置偏移0.063m。1墩柱顶面出现1.8%的倾斜度，向河流侧倾斜0.13m；8墩柱顶面则表现出0.68%的倾斜度，向河流侧倾斜0.054m，其余墩柱顶面倾斜度均不超出《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80-1—2017）所规定的0.3%的限值。

3 数值仿真分析

结合实际勘测结果，该桥梁左幅1墩偏位最为严重，故以1墩为分析对象。1墩直径为1.0m，左右墩高度均为8.5m，墩顶高程16.957m，桩径1.2m，桩长24m，桩底及桩土接触面高程分别为-17.054m、8.5m；桩、柱、盖梁均采用C30 混凝土。

3.1 模型构建

应用MIDAS/Civil 有限元程序建模，并采用Solid45 实体单元进行土层内摩擦角、黏聚力、膨胀角等材料单元模拟，并划分不同材料属性，确定参数值。桥墩下层规则填土采用六面体划分，上层不规则填土以及盖梁、系梁、柱、桩等则通过四面体划分。有限元模型围绕桩中心，横桥向两侧、临近河岸侧均按照40m 确定，为降低边界影响程度，模型尺寸大于桩径。

3.2 数值分析

通过依次分析排查纵坡、施工、温度、混凝土收缩徐变、活载、地质条件等因素对墩柱偏位影响程度的大小以及与检测情况的吻合程度，初步认定为行车制动、温度、纵坡等是造成墩柱偏位的主要方面。为此，针对该桥梁左幅2、7墩展开桥梁在受到纵坡作用后偏位程度的数值模拟，并针对左幅3、6墩展开桥梁墩柱受到行车制动力、温度影响后的位移变化模拟。

3.2.1 纵坡作用

结合力学基本原理，通过手动方式计算特定纵坡下上部主梁对桥墩所施加的水平力

和

，再将计算得到的水平力

和

施加于固定墩或交接墩墩顶，并进行水平力作用后墩柱偏位值的计算，计算原理具体见图1和图2。图中

为单幅桥长，

为辅助变量，

为结构自重力，

%为倾斜坡度，a 为

或

与

夹角。从图中可以看出，在特定纵坡下，交接墩墩顶所承受的因结构自重所施加的上坡向分力为

= sina×

×sina×cosa；在特定纵坡下固定墩顶所承受的因结构自重所施加的下坡向分力为

×sina。

图1 交接墩顶水平力计算原理

图2 固定墩顶水平力计算原理

根据现场勘察结果，2墩支座安装不平，按照所提出的交接墩顶水平力计算原理，交接墩主要承受上坡向水平力，结合桥梁设计图中的参数取值，考虑单跨上部恒载和二期恒载后的桥墩结构自重为4500kN，则交接墩顶上坡向水平力

=4200 ×0.045358×0.997890=190.4kN。在墩底固结的情况下，应用MIDAS/Civil 有限元程序展开数值模拟，在纵向结构自重分力的影响下，交接墩顶上坡向表现出132.8mm 的偏位。7墩支座存在安装不平、卡死等问题，基本不具备滑动功能，故采用固定墩顶水平力计算原理进行分析。固定墩所承受的下坡向水平力为

，根据设计要求，考虑单跨上部恒载和二期恒载后的桥墩结构自重为4500kN，固定墩顶下坡向水平力

=4200×0.045358=190.6kN。在墩底固结的情况下，应用MIDAS/Civil有限元程序进行数值模拟，在纵坡自重分力影响下，7墩顶下坡向表现出73.1mm 的偏位。

3.2.2 温度力作用

随着桥梁运行环境温度的变化，温度力表现出周期性变化趋势，在其他桥梁运行因素的影响下，支座和墩顶在梁体自重的制约下存在残余位移，且这种残余位移逐年累积。该桥梁所在地区年气温均值18.1C，极端最高、最低温度分别为40.8C 和-3.9C，实测温度17.6C。应用MIDAS/Civil 有限元程序进行桥墩墩柱在温度升高23.2C 的过程中水平位移情况的数值模拟，根据分析结果，4和5交接墩分别表现出上坡向9.6mm 和下坡向12.1mm 的偏位。

3.2.3 制动力作用

在行车制动力的影响下，固定墩主要承受与行车向一致的水平力

，在该作用力下，固定墩必将产生行车向偏位；制动力带动梁体与支座上钢板向行车向滑动，故在交接墩墩顶支座下必将产生反行车向水平力

，进而使交接墩表现出反行车向偏位。

该桥梁单幅为两车道设计，结合《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015），在1 联长度上施加（3×30+10.5+260）×2×0.1 的制动力，该制动力未超出规范所规定的330kN 的设计值，故按330kN 取值；在2 联长度上施加（4×30+10.5+260）×2×0.1 的制动力，该制动力为372kN，超出规范所规定的330kN 的设计值，故按372kN 的实际值取值。按照《公路桥梁盆式支座》（JT/T391—2009）的规定，活动支座摩擦系数按照0.03 取值，基于此，进行恒载及温度作用下支座静摩阻力计算，结果见表1。根据表中计算结果，在纵坡作用、行车制动力及温度力的影响下，1墩顶推力＞静摩阻力，支座出现滑移的可能性较大，为此应解除梁体和该桥墩间顺桥向约束，同时以支座摩阻力为节点荷载施加于墩顶和梁体，并确保制动力方向和墩顶节点荷载作用方向一致。应用MIDAS/Civil 有限元程序进行数值模拟，在行车制动力的影响下，4和5交接墩上坡向分别出现22.7mm 和12.0mm 的偏位。

表1 支座静摩阻力计算结果

表1（续）

4 桥墩偏位原因及纠偏方法

4.1 桥墩偏位原因

结合有限元仿真分析及实际勘测结果，该桥梁所处区域土质较差，以中等压缩性重～中粉质壤土、粉质黏土～重粉质壤土、砂砾卵石为主，且南岸淤泥质土层厚度比北岸大，故南岸的1～2桥墩比北岸的7～8桥墩桩顶偏位严重，桩身也更为弯曲。该桥梁两岸并未设置称重限载设施，超载超限车辆频繁通行，且两岸河堤治理工程中搅拌桩开挖施工同时进行，桥梁覆盖层中淤泥质粉质黏土属于灵敏度较高土体，超载超限车辆通行及周围搅拌桩施工所产生的震动对土层扰动大，使土体抗剪强度衰减，淤泥层表现出明显的侧向挤出效应。这种侧向推挤作用加重了桥墩桩基向河中心向的偏位。

4.2 纠偏方法

该桥梁桥墩倾斜偏位可以采用两种纠偏方法：一是强制恢复法，即在墩柱侧埋置地锚，借助钢丝绳和手拉葫芦向桥墩施加拉应力，同时在墩柱另一侧向桩顶系梁施加推力，促使桩柱回位。在以上过程中为防止出现超回位，必须在纠偏措施实施前进行桥墩最大拉应力值计算，在纠偏期间加强观测，避免出现裂缝。这种纠偏方式所需水平力较大，并可能造成桥墩结构损伤。二是应力释放法，即在墩柱偏位另一侧靠近桩基处打设应力释放孔，并保证孔深大于软土层影响深度，在桩侧形成回位空间。待达到纠偏目的后及时通过砂砾回填应力释放孔，并加固地基。

4.2.1 打设应力释放孔

桥墩桩基偏位因不良地质条件和外界荷载的作用而形成，该桥墩桩基偏向河流侧，故在偏位严重的桥墩岸坡侧打设9 个应力释放孔以释放土层应力，便于桥墩受到土压力作用后起到纠偏效果。钻孔工艺与钻孔灌注桩相同，成孔后在孔内填充袋装砂卵石，并将适宜尺寸的竹笼下放至孔内避免塌孔。应力释放孔的布置具体见图3，孔与桥墩间距为1.5m，孔距1.0～1.25m，孔深12m，孔径30cm。

图3 桥墩应力释放孔（单位：m）

4.2.2 设置高压旋喷桩并新增桩基承台

考虑到桥址区淤泥层较厚且地质条件复杂，故通过设置高压旋喷桩，在进行桥墩桩基纠偏的同时加固地基。具体而言，在偏位比较严重的桥墩四周设置115 根桩径50cm、桩长14m 的高压旋喷桩，高压旋喷桩的施工必将产生较大的挤土效应，促使桩基回位。

结合桥墩偏位勘察结果，偏位较大的桥墩桩基已经出现裂缝，故在完成高压旋喷桩施工后还必须通过新增桩基承台的方式托换偏位较大桥墩基础。将4 根桩径1.0m、桩长同原桩的新桩布置在原桥墩两侧，保持新承台底面与原系梁齐平，新增桩基承台和原桥墩通过植筋方式连接，具体见图4。所设置的桩基承台分两次浇筑，第一次浇筑外侧，待完成桥墩顶推纠偏后再浇筑承台中间。