咬合桩加固桥梁病害基础效果及应用分析

■尚文杰

（新疆交通规划勘察设计研究院有限公司，乌鲁木齐 830000）

水中桥墩由于常年承受水流冲刷的作用，需要定期进行维修加固，以消除桥梁基础病害带来的安全影响。 咬合桩作为一种成熟的支护围挡结构，在深基坑围护结构当中得到了广泛应用，也有学者提出将其应用到桥梁墩体加固之中[1-3]。 鲁昭[4]以某桥梁基础加固为研究对象， 采用咬合桩加固方法，重点介绍了钢筋混凝土咬合桩设计特点和相关施工工艺。 王军生[5]以某铁路工程既有桥梁加固防护设计为研究对象，通过现场试验证明了该加固方法的有效性。 赵晖等[6]通过介绍钻孔咬合桩和人工挖孔咬合桩两种围护结构咬合桩施工技术，从施工技术、结构型式和应用特点等方面进行了详细说明，并将二者在工程中进行了应用分析。 本文以某桥梁病害墩体基础加固为研究对象，采用数值模拟方法对咬合桩加固桥墩和桥梁扩大基础效果进行了分析，研究结果可为类似工程设计和施工提供参考。

1 工程概况

某钢混拱桥工程，全长645.6 m，3～6#桥墩处于水中，因建设年代久远，桥梁4# 墩基及其扩大基础常年受河水冲刷腐蚀严重，拟采取咬合桩进行桥梁扩大基础加固。 根据地勘资料，4# 桥墩位置处土层从上至下依次为卵石层、细砂层和粉砂岩，卵石层和细砂层厚度依次为5.6 m 和5.3 m，其中粉砂层作为持力层。 如图1 所示，咬合桩分为I 类桩和II 类桩，长度均为12 m，直径均为1 m，最大咬合宽度为0.2 m，桥墩扩大基础由两部分组成，上、下尺寸分别为5.8 m×12.8 m×1.5 m 和6.8 m×13.4 m×1.5 m。

2 有限元模型建立

2.1 模型建立

采用PLAXIS 软件进行土体和桥墩结构建模分析，如图2 所示，土体模型尺寸为：长60 m、宽60 m和高28 m。 桥墩和扩大基础模型采用实体单元建立，咬合桩采用板单元建立，咬合桩长度均为12 m，直径均为1 m，最大咬合宽度为0.2 m，为了简化计算，将咬合桩按照等效刚度原理转换成0.89 m 厚的地下连续墙进行分析计算。 咬合桩I 类桩和II 类桩均采用C30 混凝土，桥墩和扩大基础采用C40 混凝土，计算时在桥墩上方施加均布荷载来模拟桥梁上部结构的荷载影响。

2.2 参数赋值

表1 和表2 分别给出了土体和混凝土的物理力学参数。

表2 混凝土相关力学参数

2.3 模拟流程

本文模拟过程中，共分为6 个阶段，每个阶段对应的模拟内容如图3 所示。 其中第3～5 阶段为咬合桩加固桥梁模拟阶段，第6 阶段为考虑最不利情况下的模拟阶段，即粉砂岩以上土体被完全冲刷掏空。

图3 模拟施工流程图

3 咬合桩加固桥梁基础分析

3.1 不同施工阶段的咬合桩位移分析

对咬合桩施工过程中的位移进行分析，不同施工阶段咬合桩沿桩身的最大变形曲线如图4 所示。由图4 可知，在施工阶段3，此时咬合桩不受水平力的影响，因此桩身水平位移基本为0 mm；在施工阶段4，咬合桩承受土压力的影响，从桩底至桩顶位移不断增大，基本呈现出线性增大的趋势，在桩顶处最大水平位移为1.86 mm；在施工阶段5，咬合桩沿桩身水平位移曲线相对于施工阶段4 基本没有发生变化。 在施工阶段6，即考虑最不利工况时，咬合桩水平位移迅速增大，在桩顶水平位移达到最大值7.42 mm。 根据JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》规定，桩顶水平位移允许值为10 mm，因此，在考虑最不利工况下的咬合桩水平位移小于规范允许值。

图4 不同施工阶段咬合桩变形曲线图

3.2 咬合桩内力分析

对咬合桩内力是否满足要求进行分析，施工阶段6（即最不利工况下）咬合桩等效连续墙沿咬合桩长度方向弯矩变化曲线如图5 所示。 由图5 可知，从桩底到桩顶弯矩先增大后减小， 在距离桩顶7.65 m位置处咬合桩弯矩最大，弯矩最大值为526.84 kN·m。

图5 沿咬合桩长度方向弯矩变化图

按照文献[4]中算法理论，对咬合桩弯矩标准值进行计算， 计算得到I 类桩和II 类桩的弯矩标准值，如式（1）和式（2）所示。

式中：M1和M2分别为咬合桩围护结构中I 类桩和II 类桩的弯矩标准值，单位是kN·m；M 为咬合桩换算为围护结构墙体每延米的墙身弯矩标准值，单位是kN·m/m；r1和r2分别为咬合桩围护结构中I类桩和II 类桩的桩身半径， 取0.5 m；n 表示I 类桩和II 类桩对x 轴惯性矩比值，即n=I1/I2；a 为I 类桩和II 类桩截面最大咬合宽度，取0.2 m。

根据GB50010-2019《混凝土结构设计规范》，计算圆形截面钢筋混凝土抗弯承载力按照式（3）和（4）进行计算。

式中： fy为钢筋抗拉强度设计值； fc为混凝土轴心抗压强度设计值；A 为构件截面面积；α 为圆形截面受压部分圆心角与2π 之间的比值。

该工程中咬合桩钢筋规格为HRB400， 结合混凝土参数计算得到咬合桩的抗弯容许值，如表3所示。

表3 咬合桩弯矩计算

同理，采用模拟的方法计算得到咬合桩等效连续墙最大剪力值为560.8 kN，按照文献[4]中算法理论，对咬合桩剪力标准值进行计算，计算得到I 类桩和II 类桩的剪力标准值，如式（5）和式（6）所示。

式中：V1和V2分别为咬合桩围护结构中I 类桩和II 类桩的剪力标准值，单位是kN·m；V 为咬合桩换算为围护结构墙体每延米的墙身剪力标准值，单位是kN·m/m；A1和A2分别为咬合桩围护结构中I 类桩和II 类桩的截面积，单位是m2。

表4 给出了咬合桩剪力计算表，综合表3 和表4可知， 计算得到的咬合桩抗弯和抗剪安全系数均大于2，说明咬合桩结构的抗弯和抗剪能力均能满足规范要求。

表4 咬合桩剪力计算

3.3 不同施工阶段的桥梁扩大基础沉降分析

对咬合桩加固桥梁施工过程中桥梁扩大基础沉降进行分析，咬合桩不同施工阶段桥梁扩大基础沉降曲线如图6 所示。 由图6 可知，施工阶段3 时桥梁扩大基础沉降值最小，为1.86 mm；施工阶段4和施工阶段5 时的桥梁扩大基础沉降值基本相同，分别为7.02 mm 和7.03 mm； 施工阶段6 时的桥梁扩大基础沉降值最大，值为10.74 mm。综上可知，在咬合桩整个施工过程中，仅引起桥梁扩大基础发生7.03 mm 的沉降， 且当考虑最不利情况时的桥梁扩大基础沉降值也不超过11 mm，说明咬合桩施工对既有桥梁墩基整体扰动影响较小。

图6 不同施工阶段时桥梁扩大基础沉降

4 结论

本文以某桥梁病害墩体基础加固为研究对象，采用数值模拟方法对咬合桩加固桥墩和桥梁扩大基础效果进行了分析，得到以下结论：

（1）咬合桩施工完成后，从桩底至桩顶位移基本呈现出线性增大的趋势，在桩顶处最大水平位移为1.86 mm；考虑最不利工况时，咬合桩桩顶水平位移最大值为7.42 mm，满足规范允许值要求。

（2）最不利工况下的咬合桩等效连续墙弯矩从桩底到桩顶先增大后减小，在距离桩顶7.65 m 位置处咬合桩弯矩最大，弯矩最大值为526.84 kN·m。按照GB50010-2019《混凝土结构设计规范》计算得到的最不利工况下的咬合桩抗弯和抗剪安全系数均大于2，说明咬合桩结构的抗弯和抗剪能力均能满足规范要求。

（3）在咬合桩整个施工过程中，引起桥梁扩大基础发生7.03 mm 的沉降，且当考虑最不利情况时的桥梁扩大基础沉降值也不超过11 mm，说明了咬合桩施工对既有桥梁墩基整体扰动影响较小。