邻近匝道对桥梁桩基偏位影响分析及病害处治对策

摘要：本文以某实际工程为例，研究了邻近匝道对桥梁桩基偏位的影响。分析从有限元方法和数值解法两个角度出发，着重研究了被动桩与软弱土体之间的作用机理。综合考虑病害桥墩倾斜严重、盆式支座偏位较大的成因，研究由邻近匝道作用引起的桥梁病害的处治对策。

关键词：桥梁病害；桩基偏位；处治对策

中图分类号：K928文献标识码： A

Analysis of the effect of adjacent ramp on bridge pile foundation and relevant countermeasures

Lv chenggang 2Yang peng 1

(1. Jiangsu Yangtze Bridge Company Ltd. 2. School of transportation, Southeast University)

Abstract: This paper takes a practical project as an example, expatiate the effect of adjacent ramp on bridge pile foundation. From two aspects of finite element method and numerical method, the paper focuses on the research of the mechanism of action between passive piles and soft soil. Considering the serious disease of pier tilt and large deviation of pot bearing, the paper will analysis the treatment measures of bridge dieases caused by soft soil foundation.

Key words: Bridge Disease; Pile foundation deviation;;Treatment measures.

1 工程背景

1.1 结构概况

某互通内设有B、E、F、I、J、M、N、共九条匝道，均为单向道匝道；被交道沿江高速全长1700m。本互通采用变异半直连+半苜蓿叶型枢纽互通，主线设计速度120km/h，被交道沿江高速设计车速120km/h，匝道设计速度40-60km/h。

该桥上部结构为 (3×20)+(4×20)+(3×24+36+23.5)+(4×21)+(3×19.5)+(3×25)+(4×20)+(4×20)+(22.5+32.5+27.4+20)+(5×20.8)+((23.6+31.6+23.6)+(3×20)+(3×20)+(3×

20)m14联。其中第3、6、9、11联为现浇预应力混凝土箱型结构，第6联梁高1.6m，余均为1.8m。余下几联均为钢筋混凝土现浇箱梁，梁高1.3m。桥梁下部结构采用四柱、三柱、双柱式混凝土墩，钻孔灌注桩基础；桥台采用肋板式桥台，钻孔灌注桩基础。采用满堂支架现浇方法施工。

1.2桥梁病害概述

2013年12月，检测人员发现该桥左幅31#墩、右幅32#墩处存在明显病害，桥墩向南侧发生倾斜，支座发生严重偏位，经过详细地现场调研后，从立柱倾斜状态、支座上下座板滑移情况看，本桥病害存在如下特征：

(1)左幅31#墩和右幅32#墩相邻两联的箱梁位置，总体上与施工结束后的状态保持一致，即梁体纵横向位置基本未发生显著的位移（不考虑收缩徐变、温度伸缩等因素影响），梁体在完工后初始状态未出现较大的移位；

(2)左幅31#墩1#立柱、2#立柱、3#立柱，右幅32#墩1#立柱、2#立柱整体朝南侧倾斜，立柱下部偏位带动柱顶朝南侧偏移，最终引起柱顶支座出现较大的纵向滑移；

(3)右幅32#墩3#立柱倾斜程度较小，其柱顶支座纵向滑移量较小，即柱顶相对梁端未发生太大的变位，但是该立柱因受到同一墩处相邻两立柱（系梁）的牵连作用，靠近地面处朝南侧出现了2.5cm的挠度，最终导致其南侧表面环向开裂；

(4)左幅32#墩1#立柱、2#立柱、3#立柱柱顶相对地面处朝北侧偏位2cm～3.5cm，相对立柱地面以上长度（10m左右）来讲，此倾斜量值较小；

(5)左幅31#墩1#立柱、2#立柱、3#立柱，右幅32#墩1#立柱、2#立柱顶面所有盆式支座滑动面南侧部分挤出钢盆，破坏严重，支座朝南侧滑移的趋势均被阻断。

图1 典型断面图

根据该桥位处的工程地质勘察报告，匝道路基下软土IIb的主要土层工程性状，参见表1；可以看出，软土层不仅埋藏浅、厚度大，且压缩性很高，强度相对典型软土略偏优，但指标离散性偏高。

表1浅埋软土IIb工程性质指标

2. 桩基偏位分析

2.1被动桩模拟分析

被动桩不同于普通的受荷桩,桩基不直接承受外荷载,而是由于桩周土体在自重或外荷载作用下发生变形或移动,被动地承受土体传来的压力。常用的两类有限元模拟方法是杆件有限元法和实体单元法。

在分析桩侧向受力时，《公路桥涵地基与基础设计规范》[1]是将埋在土中的桩视为支撑在弹性地基上的梁来考虑的。当采用有限元来模拟计算时，可用杆单元来模拟桩，用水平方向的弹簧来模拟桩土之间的作用，如图2所示。

图2 桩侧土弹簧模型

图2中每一个弹簧代表一定范围内土体对桩身的约束作用，可表示为：

（1）

:表示桩土之间的横向作用力;

:表示桩身水平方向的位移;

:为弹簧的刚度，以代表土体受到单位的压缩时产生的力，其值为：

（2）

为单个弹簧所等效的土体竖向高度，取上下两个杆单元一半长度之和。代表作用在桩身的土体计算宽度，根据规范，对于桩径d大于1m的圆形桩，。代表单位面积土体的水平向抗力系数，根据规范推荐的“m法”，，为非岩石地基水平向抗力系数的比例系数，可在规范中查表选取，为截面的埋置深度，当时，取。因此：

（3）

另一种方法是直接采用实体模型，分析桩土作用，即采用实体单元模拟桩基和土体，其中，桩基及立柱的本构模型采用弹性模型，而土体的本构模型采用塑性模型，桩与土之间通过相关接触绑定在一起。

本工程采用Abaqus有限元分析软件进行分析，桩基与土体均采用C3d8r三维实体单元土体，采用库伦摩尔塑性模型，并根据实测资料定义了材料的弹性模量、泊松比、凝聚力、摩擦角等参数，其划分好的网格模型如图3所示。

图3 桩土模型分析

在桩基附近施加均布的匝道自重荷载，计算由荷载引起的桩基的偏位，计算得到的桩基偏位图由图4所示，左侧为桩基及立柱的变位模式，右图为桩基的变位图示。结果表明，匝道静力堆载作用下排桩桩顶水平位移w0=4.6cm时，对应转角0=0.3%。此时，桩身最大弯矩Mmax=2312 ，位于桩顶下10m处。

图4 桩基水平位移图

上述分析结果可以发现，计算静力荷载作用下土体变位对桩基的影响较实际偏小。可判定实际过程中土体可能已经存在了流动的情况，这样桩基变位的分析需要考虑按照下文的扰流土压力模型进行分析。

2.2 扰流土压力模型分析

针对匝道路基堆载作用下邻近基桩变形、内力分析，由于基桩的存在限制了软弱土层的侧向变形，并将堆载侧土移引起的压力传递到下部稳定地基土层中。因此，在偏移基桩分析时，可将桩身简化分为上部受土移作用的被动区和下部受稳定土抗力作用的主动区，并结合上、下两区桩土作用特点，可建立桩身微分方程：

（4）

式中，hs为地基滑动面；k为下部稳定土体地基抗力，。

被动桩内力计算首先需确定路堤堆载作用下浅层软土侧移引起的对桥墩桩基的推力，即式（4）中p(z)。沈珠江院士（1992）基于散体极限平衡理论推导了土体沿水平方向绕桩滑动时桩身受到的绕流阻力公式。假定土层无限广阔并沿水平向对垂直桩作相对运动，且桩侧面绝对粗糙，得到圆形桩单位桩长上的绕流阻力公式如下：

（5）

式中：dp为桩径；v为垂直应力，计算中取为路堤堆载作用下桩基处地基附加应力与地基土有效重度之和；c为地基粘聚力；φ为地基内摩擦角；Cd为软土绕流桩身阻力系数。

绕流阻力计算时，临界桩间距Lc可按下式计算：

（6）

当L

（7）

据此，根据偏移基桩工况，桩长46m，桩径1.5m，桩心距7.27m，由式（6）可知软土发生绕流的临界桩间距Lc=3.75m，计算中软土绕流对桩基推力可由式（5）确定。主动区土层水平抗力k=m(z-hs)，m=2000kNm-4，软土层厚度取12m。

结果表明，匝道堆载作用下排桩桩顶水平位移w0=7.86cm时，对应转角0=0.5%。此时，桩身最大弯矩Mmax=3340 ，位于桩顶下13m处。

3 病害成因分析

根据现场情况分析成因如下：

(1)桥墩南侧有一水塘，北侧设有一匝道，其路面与立柱地面约5.6m左右的高差，而匝道以及桥墩处地面以下存在约12m厚的淤泥层，区域内的淤泥未作加固处理，在附加应力作用下，匝道路基下淤泥层朝南侧移动（匝道北侧另有两幅路基做过加固处理），由此带动基桩整体朝南倾斜。具体到立柱而言，立柱下部移动带动柱顶朝南侧变位；

(2)柱顶偏位之后，立柱呈偏心受压状态，随着淤泥层变位的增加，桩基础倾斜越来越显著，偏心距也随之增长，立柱倾斜量值加剧，导致柱顶盆式支座纵向滑移偏大，钢盆内橡胶挤出，滑动面局部破坏；

(3)夏天高温时，桥墩北侧梁体朝南侧伸长，但是由于盆式支座南侧滑动面破坏严重，同时梁端垃圾堵塞，北侧桥孔梁端难以自由滑动，进而推动桥墩继续朝南偏位，该量值虽然很小，但是仍然会加大立柱倾斜量值；

(4)冬天降温时，桥墩北侧梁体往北可以自由收缩滑移，但是桥墩南侧梁体往南收缩滑移受阻（支座南侧滑动面破坏严重），进而拉着桥墩继续朝南偏位，该量值虽然很小，但是桥墩每年经历一冬一夏，随着建成后3年的累计，均会加大立柱倾斜量。

4 处治对策

4.1 地基与基础托换加固

结合现场的病害及成因分析，该病害桥墩应该进行地基与基础托换加固工作。

首先，临时稳定补强措施拟结合补充触探勘察分步实施，即首先卸除匝道边坡上附加增重的部分填土，堆放至隔离栅外侧跨中部位反压平衡。位移排桩前匝道边坡适当位置设置高压旋喷桩，主要用于阻止边坡的滑动。

其次，重新浇筑桩基和承台，在南北向各布置一排桩，每排3根，如图3所示，新布设的桩基直径为150cm，桩基础中心距离旧桩中心为3.0m，承台尺寸为1823cm×850cm×250cm。

图3 桩基布置图

4.2下部结构及支座维修处理

完成地基与基础的托换加固施工后，需要对桥梁的下部结构进行改造。针对目前墩柱倾斜的现状，加固设计单位最终决定采用Q235圆形钢管环抱原立柱，形成一定直径的圆柱体，在其内浇筑一定量的高强灌浆料。一方面，对立柱进行纠偏，将其轴线调回竖直状态，保证后期运营的正常工作；另一方面，通过钢管的抱箍作用，进一步增强立柱的竖向承载力。

下部结构加固完成后，需通过千斤顶顶升施工操作，对墩帽实施水平约束的释放，释放水平约束后，更换新支座。

参考文献

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