邻近堆载及软土地基对桥梁桩基影响及处治对策研究

饶建辉，刘其伟，王成明，杨 鹏

（1．江苏扬子大桥股份有限公司，江苏 南京210004；2.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096）

高速公路跨越地区广泛，沿线地质条件复杂多变，特别是在高含水量、大孔隙比、高压缩比和低强度的软土地基上修建桥梁，会给桥梁桩基施工和养护运营带来一系列的工程问题。

当桥址下部存在较大厚度的软土层时，一方面由于软土具有较大的压缩性，随着上部路基填筑，软土层在荷载作用下产生压缩和侧向位移，导致桩身挠曲、桥墩桩基移动，严重时将造成桥台或近台墩桩产生明显移位甚至产生裂缝，影响桥梁结构物的安全；另一方面，在路基高填土荷载的影响下，路基边坡土体有可能在软土层中形成贯通的滑动面，当桥台桩基处于较深位置的滑动体影响范围内时，滑动带以上部分土体的移动或蠕动将会对桩基产生相当大的推力，导致桩基破坏。

本文将以某实际工程为例，研究在软土地基条件下邻近堆载对桥梁桩基受力及变形的影响，同时提出相应的处治对策。

1 工程概况

某高速公路互通桥梁全长1 122 m，为变异半直连+半苜蓿叶型，设有9条匝道，均为单向道匝道；主线设计车速120 km/h，被交道设计车速120 km/h，匝道设计速度40~60 km/h。该桥主线桥上部结构为共14联，其中第3、6、9、11联采用现浇预应力混凝土箱梁，第6联梁高1.6 m，第3、9、11联梁高均为1.8 m；其余10联上部结构均为钢筋混凝土现浇箱梁，梁高1.3 m。桥梁下部结构采用肋板式桥台，钻孔灌注桩基础，桥墩采用双柱、三柱、四柱式混凝土墩，钻孔灌注桩基础。出现桩基病害的是该桥左幅31#墩、右幅32#墩，均为三柱式墩，典型断面如图1所示。

图1 箱梁典型断面图（单位：cm）

2 立柱及相关构件病害检测

2013年底，养护单位在日常巡检过程中发现该桥左幅31#墩、右幅32#墩处存在明显异常。经检测后发现，左幅31#墩、右幅32#墩立柱均向南侧发生不同程度的倾斜，而支座也随之发生严重偏位，具体如下：

（1）左幅31#墩和右幅32#墩均为过渡墩，桥梁两侧两联箱梁位置总体上与施工结束后的状态保持一致，即在不考虑收缩徐变、温度伸缩等因素影响下，箱梁梁体基本未发生显著的纵横向移位。

（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，最终引起柱顶盆式支座出现较大的纵向滑移，如图2所示；

（3）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，朝南侧滑移趋势均被阻断，破坏严重；

（4）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2.5 cm的挠度，最终导致其南侧表面环向开裂。

图2 过渡墩支座上座板相对下座板纵向滑移偏位（单位：cm）

3 桩基侧向受力分析

考虑邻近匝道路基堆载以及软土地基的综合作用，对桥梁桩基变形及受力进行计算分析，为探寻桩基倾斜的病害成因提供理论基础。

考虑到桩基的存在限制了软弱土层的侧向变形，同时将堆载侧土体位移引起的压力传递到下部稳定地基土层中的实际情况，在基桩受力分析时，将桩身简化为上部受土体位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，建立如下桩身微分方程［1-3］：

式中：hs为地基滑动面；k为下部稳定土体地基抗力，k = mz。

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p（z）。沈珠江院士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，圆形桩单位桩长上的绕流阻力公式，见式（2）。

式中： dp为桩径；σv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为地基黏聚力；φ为地基内摩擦角；Cd为软土绕流阻力系数。

该计算模式应遵循如下基本假定：（1）土层无限广阔并沿水平向对垂直桩作相对运动；（2）土层为理想的凝聚材料或莫尔-库仑材料；（3）桩的表面绝对粗糙。

计算绕流阻力时，临界桩间距Lc可按下式计算：

当L

倾斜偏位基桩桩长46 m，桩径1.5 m，桩心距7.27 m，由式（3）计算得到软土发生绕流的临界桩间距Lc=3.75 m，由式（2）计算软土绕流对桩基的推力。主动区土层水平抗力k = m（z-hs），m=2 000 kN·m-4，软土层厚度取12 m。

倾斜偏位桩基变位及受力计算结果如图3所示。计算结果表明，在软土地基条件下，邻近匝道路基堆载造成排桩桩顶水平位移达7.86 cm，对应转角为0.5%。此时，桩身最大弯矩Mmax=3 340 kN·m，位于桩顶下13 m处。

图3 桩基变形及受力随深度的变化

4 桩基病害成因分析

根据现场调查情况以及基桩侧向受分析结果，桩基倾斜偏位的主要原因如下［4-8］：

（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5.6 m左右的高差，而匝道以及桥墩处地面以下存在约15 m厚的淤泥层，如图4所示，土层工程性状如表1所示。区域内的淤泥未进行加固处理，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进行过加固处理），由此带动基桩整体朝南倾斜，立柱下部移动带动柱顶朝南侧变位。

图4 病害桥墩位置土体勘探情况

表1 浅埋软土工程性质指标

（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，滑动面发生局部破坏；

（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。

（4）冬天降温时，桥墩北侧梁体往北可以自由收缩滑移，但是由于支座南侧滑动面破坏严重，桥墩南侧梁体往南收缩滑移受阻，进而造成桥墩继续朝南偏位。

5 维修处治对策

5.1 地基与基础托换加固［9］

根据现场的病害及成因分析，对病害桥墩进行地基与基础托换加固工作。

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，在发生偏位的排桩边坡的适当位置设置埋入式钻孔灌注桩止滑，止滑桩设计应考虑竖向承载力托换设计要求，与基桩损伤托换补桩相衔接；然后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5所示。新布设的桩基直径为150 cm，桩基础中心距离旧桩中心为3.0 m，承台尺寸为1 823 cm×850 cm×250 cm。

图5 桩基平面布置（单位：cm）

5.2 立柱及支座维修处理［10］

在地基与基础托换加固施工结束后，分阶段地对桥梁立柱及支座进行维修处理。

考虑到墩柱倾斜的现状，决定在原立柱周围采用环向钢板立模，灌注细石混凝土和高强灌浆料，通过扩大截面的方式将原立柱断面扩大、线形调直。该加固方案一方面可以对立柱进行纠偏，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，通过钢管抱箍作用，进一步增加立柱竖向承载力。

为保证立柱环向钢板内腔填充密实，考虑将立柱环形钢板和内腔填料分2阶段施工，第1阶段仅施工部分环向钢板和内腔填料，此区域可灌注微膨胀C40细石混凝土；第2阶段施工剩余部分，此区域因内部空间狭小，可采用C40高强灌浆料进行填充。施工单位可根据施工设备和施工操作的空间需求，对每阶段施工长度进行调整，如图6所示。

图6 立柱施工阶段划分示意图（单位：cm）

待桥墩立柱加固完成后，通过同步顶升施工操作释放墩帽水平约束，更换新支座。

6 结语

在软土地基上修建公路桥梁时，下穿道路高填土路基的填筑荷载往往导致下卧软土层固结沉降并产生侧向变形，对临近的桥梁桩基产生极为不利的影响，主要表现为以下几个方面：

（1）下卧软土层在路基填筑荷载作用下发生侧向变形，挤压桩身，使桩发生挠曲甚至断裂；

（2）路基填土引起地基土固结，使临近桥台桩基受到负摩擦而下沉且多为不均匀沉降，对桥梁结构产生不利影响；

（3）由于桥梁桩身发生偏位，加上一定出土转角，桥梁立柱发生倾斜，进而导致支座偏斜，给上部结构带来影响。

对于存在类似病害的桥梁，建议观察立柱倾斜度发展状况以及立柱表观的损伤状况，当出现立柱倾斜度发展较快、立柱损伤严重，且不具备人力纠偏的条件时，可考虑采用地基与基础托换的方式进行桥梁下部结构的加固施工。

该桥经维修加固至今已安全运营一年多时间，日常养护观测数据结果表明，该桥安全性及功能性均较为正常。

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