整体式断面拓宽桥梁基础不均匀沉降影响分析与控制

赵利国

(承德交通勘察设计院有限公司，河北 承德　067000)



整体式断面拓宽桥梁基础不均匀沉降影响分析与控制

赵利国

(承德交通勘察设计院有限公司，河北 承德067000)

在采用整体式断面拓宽法进行桥梁拓宽工程中，基础不均匀沉降过大是引起新旧桥梁的主梁拼接部位开裂的主要原因之一。以某高速公路桥梁拓宽工程中两座互通式立交桥拓宽为依托，采用桥梁通用分析软件Midas Civil建立有限元分析模型，对新旧桥梁基础不均匀沉降值取为5 mm时空心板梁桥和简支T梁桥的主梁和接缝的受力及位移、拼接部位的开裂进行了分析和验算，结果表明：在桥梁拓宽设计时，结构局部部位和拼接部位应加强配筋，以避免裂缝的产生。为了减小基础不均匀沉降对拼接部位的影响，对空心板梁桥采用了桩底后压浆技术对地基进行了加固处理，并对两桥基础沉降情况进行了12个月的连续观测。观测结果表明：采用桩底后压浆技术进行地基加固处理的空心板梁桥的新旧桥梁基础不均匀沉降值小于未采用该技术处理的简支T梁桥，说明该技术可有效改善新旧桥梁基础的不均匀沉降。

；桥梁拓宽；拼接部位；不均匀沉降；地基加固

0　引言

某高速公路于1992年建成通车，为满足交通量的增长需求，于2012年8月～2014年3月进行拓宽改造，由原有的单向2车道拓宽为单向3车道。在桥梁拓宽之前，经过20 a的运营，该高速公路上桥梁的绝大部分基础沉降已完成。但在桥梁拓宽后，在桥梁恒载和车辆等活载作用下，相对于基础沉降已基本完成的旧桥而言，新建桥梁会产生较大的基础沉降，这就使得新旧桥梁基础存在不均匀沉降。当新旧桥梁基础不均匀沉降过大时，会导致新旧桥梁主梁拼接部位开裂，对桥梁安全、适用和耐久造成不利影响。

本文以该高速公路上两座互通式立交桥(一座空心板梁桥和一座简支T梁桥)拓宽为依托，通过利用桥梁通用分析软件Midas Civil建模，对空心板梁桥和简支T梁桥的主梁和接缝的受力及位移、拼接部位的强度进行了分析和验算，并通过沉降观测对比验证了可通过地基加固来减少桥梁拓宽后基础不均匀沉降的方法，从而防止新旧桥梁主梁拼接部位因受力过大而开裂。

1　工程概况

在桥梁拓宽工程中，普遍采用新旧桥梁上部结构主梁横向拼接，下部结构墩柱基础分离的整体式断面拓宽法进行桥梁拓宽[1]。本文中两桥均采用整体式断面法进行拓宽，左右两幅各拓宽4.5 m。在新旧桥梁基础不均匀沉降控制方面，对空心板梁桥采用桩底后压浆法进行地基加固，而对简支T梁桥未采用该方法进行处理。在桥梁拓宽完工12个月，对空心板梁桥和简支T梁桥的基础沉降值进行连续观测，记录观测结果。

空心板梁桥和预应力混凝土简支T梁桥的跨径均为20.0 m，均采用双幅布置，单幅桥面宽分别为13.0 m和12.5 m，梁高分别为0.9 m和1.3 m，其中简支T梁桥主梁由5片T梁组成。主梁均采用后张法工艺施工。下部结构形式均为等截面双柱式墩，墩柱直径1.2 m。基础为钻孔灌注桩基础，单排布置，桩径均为1.5 m，桩长分别为38 m和43 m。

2　基础不均匀沉降影响分析

为了避免上部结构和拼接部位产生裂缝，必须采取措施使得不均匀沉降值处于合理可控范围之内。本文参考国内同类型桥梁历史观测资料[2]，偏安全地选取新旧桥梁基础不均匀沉降为5 mm，对拓宽桥梁的上部结构受力情况和拼接部位抗裂性能进行分析和验算。

2.1有限元模型

采用桥梁通用软件Midas civil建立空间有限元模型进行数值分析。为偏于安全，在建模过程中忽略铰缝混凝土、防撞护栏等对结构刚度的贡献，仅作为恒荷载作用计入；同时，将支座的弹性刚度视为无限大。混凝土和预应力筋的各项物理力学参数、混凝土收缩徐变效应、温度效应等均参考规范确定[3，4]。

2.2空心板梁桥计算结果分析

该空心板梁桥主梁编号如图1所示。

图1　空心板桥主梁编号(Jb：旧板，Xb：新板)

2.2.1对主梁受力影响分析

空心板梁桥主梁受力情况如图2所示。

图2　空心板梁桥主梁弯矩(单位；kN·m)

从图2可以看出，由新桥基础沉降较旧桥基础沉降大使得新旧桥梁基础沉降不均匀，导致旧桥主梁中产生正弯矩，新桥主梁中产生负弯矩。对于旧板而言，靠近拼接处的旧板产生的正弯矩越大，远离拼接处的旧板产生的正弯矩越小(靠近新板的旧板Jb1中正弯矩较大，靠近新板的旧板Jb2、Jb3中正弯矩较小，远离新板的旧板Jb4～Jb9中正弯矩可忽略)；对于新板而言，靠近旧板的新板Xb1在1/8跨处产生最大的负弯矩，此负弯矩使得新板支点附近上缘出现较大的拉应力，因此在结构设计时需配置足够的负弯矩钢筋以防止新板支点附近上缘开裂。

2.2.2对主梁位移影响分析

空心板梁桥的主梁位移计算结果如图3所示。

图3　空心板梁桥主梁位移(单位；mm)

从图3可以看出，由新桥基础沉降较旧桥基础沉降大使得新旧桥梁基础沉降不均匀，其中新板平均竖向位移值大于旧板。对于旧板而言，由于支点处的竖向支撑刚度大，跨中竖向支撑刚度小，使得旧板在支点处竖向位移最小，跨中处竖向位移最大，这与新板的位移情况正好相反。

2.2.3对接缝横向弯矩影响分析

空心板梁桥接缝横向弯矩计算结果如图4所示。

图4　空心板梁桥接缝横向弯矩(单位；kN·m)

从图4可以看出，在新旧桥梁基础不均匀沉降作用下，支点附近的接缝出现的横向弯矩最大，其中接缝旧板侧为负弯矩，接缝新板侧为正弯矩，这会使得横梁靠近旧板处上缘和横梁靠近新板处下缘出现较大的拉应力，因此在结构设计时需配置足够的抗弯钢筋，以防止裂缝的产生。

2.3简支T梁桥计算结果分析

该简支T梁桥主梁编号如图5所示。

图5　简支T梁桥主梁编号(Lb：旧T梁，Xb：　新T梁，Lq：旧横梁，Xq：新横梁)

2.3.1对主梁受力影响分析

简支T梁桥主梁受力情况如图6所示。

图6　简支T梁桥主梁弯矩(单位；kN·m)

从图6可以看出，在新旧桥梁基础不均匀沉降作用下，简支T梁桥的主梁弯矩有着与空心板梁桥类似的分布规律。不同之处在于由于T梁的横向刚度较空心板梁桥更大，这使得简支T梁桥的主梁弯矩在纵向分布更加均匀。

2.3.2对主梁位移影响分析

简支T梁桥的主梁位移计算结果如图7所示。

图7　简支T梁桥主梁位移(单位；mm)

从图7可以看出，在新旧桥梁基础不均匀沉降作用下，简支T梁桥的主梁位移有着与空心板梁桥类似的分布规律。新T梁板平均竖向位移值大于旧板。对于旧T梁而言，由于支点处的竖向支撑刚度大，跨中竖向支撑刚度小，使得旧T梁在支点处竖向位移最小，跨中处竖向位移最大，且越靠近新T梁的竖向位移越大。

2.3.3对横隔板弯矩影响分析

简支T梁横隔板弯矩计算结果如图8所示。

图8　简支T梁桥横隔板弯矩(单位；kN·m)

从图8可以看出，与跨中横隔板相比，端横隔板弯矩值最大，这是由于端横隔板支座的竖向支撑刚度较大的缘故。因此，应对端横隔板加强配筋，防止其开裂。

2.4新旧桥梁拼接部位开裂验算

在改建拓宽的桥梁结构中，拼接部位往往因为截面尺寸小，受力情况复杂而成为整个结构中的最易开裂部位[5]。拼接部位一旦开裂，会对结构的耐久性产生非常不利的影响。因此有必要对拼接部位进行开裂验算。

利用Midas civil计算得空心板梁桥拼接部位荷载组合下跨中处弯矩最大，为88.5 kN·m；根据拼接部位的截面尺寸和配筋情况，计算得空心板梁桥拼接部位最大抵抗矩为95.8 kN·m(>88.5 kN·m)，可认为空心板梁桥拼接部位抗裂性能满足要求。同理对简支T梁桥跨中横隔板进行抗裂验算，利用Midas civil计算得简支T梁桥跨中横隔板部位荷载组合下弯矩最大为236.5 kN·m；根据横隔板的截面尺寸和配筋情况，计算得简支T梁桥横隔板最大抵抗矩为629.8 kN·m(>236.5 kN·m)，可认为简支T梁桥跨中横隔板抗裂性能满足要求。

3　桩基础不均匀沉降控制

在桥梁拓宽工程中，新旧桥梁桩基础不均匀沉降过大会在结构的拼接部位产生很大的内力，进而引起拼装部位的开裂，因此有必要对拓宽桥梁桩基础不均匀沉降进行控制。桩基础不均匀沉降控制是一个复杂的问题，应从地质勘测、桩基础设计、桩基础施工、地基加固等多个方面进行综合考虑，才能达到良好的控制效果[6]。

在地基加固方面，控制桩基础不均匀沉降主要有3种方法：地基预压加固、地基补桩加固和桩底或桩侧后压浆地基加固[7，8]。本文中的空心板梁桥采用了桩底后压浆地基加固技术，对桩基础的不均匀沉降进行控制。

3.1施工工艺

桩底后压浆施工工艺流程如图9所示。

图9　施工工艺流程

在桩底压浆施工方案制定过程中，对桩的承载力和注浆量等参数的选取和计算，应当根据桥位所在区域地质合理选用，切忌生搬硬套。压浆管的设计以及压水开塞时机决定压浆的成败，应在试压试验的基础上反复优化。其中，压浆管的布置既要保证压浆的均匀，又要使压浆管便于安装和保护，以防止因压浆管损坏漏浆而造成压浆失败。浆液的配合比应根据地基加固的范围、所处地层空隙的大小和对浆液流动性的要求综合确定，浆液材质的好坏直接决定压浆的效果。压浆过程中应有专人负责记录，达到桩底终止压浆标准时应立刻停止压浆。

3.2沉降观测

结合工程实际和现场条件，对采用桩底后压浆技术进行地基加固处理的空心板梁桥和未进行地基加固处理的简支T梁桥进行沉降观测，在空心板梁桥和简支T梁桥的新旧桥梁桥墩墩身距地面1.0 m处各设置1个沉降观测点，如图10所示。连续对观测点的沉降值进行测量。观测时间共12个月，前3个月基础沉降较为迅速，应每天观测1次，后9个月基础沉降较为缓慢，可根据测试结果适当增大观测周期，但不应少于1周。准确记录沉降观测值，并进行以对比分析。

图10　沉降测点布置

观测结果如表1所示。

表1 新旧桥梁基础最大不均匀沉降值mm空心板梁桥简支T梁桥左幅右幅平均左幅右幅平均0.750.820.761.241.551.40

从表1可以看出，未采用桩底后压浆进行地基加固的简支T梁桥平均最大不均匀沉降值较采用该技术加固处理的空心板梁桥超出84.2%，由此可见采用该技术能有效减小新旧桥梁基础不均匀沉降。

4　结论

1) 由Midas civil建模仿真分析结果表明，新旧桥梁基础不均匀沉降对空心板梁桥和简支T梁桥的上部结构主梁受力与位移、接缝部位受力均有类似的影响；其中空心板梁桥的构件局部位置会产生较大的拉应力，故应采取相关措施，防止结构开裂。

2) 沉降观测结果表明，未采用桩底后压浆进行地基加固的简支T梁桥平均最大不均匀沉降值较采用该技术加固处理的空心板梁桥超出84.2%，由此可见采用该技术能有效减小新旧桥梁基础不均匀沉降。

[1]林晶，林国辉，周新平，等.高速公路桥梁拓宽工程设计[J].中外公路，2011，31(1)：119-122.

[2]叶见曙，温庆杰，鞠金荧，等.新旧T梁桥基础沉降差异控制研究[C].中国公路学会桥梁和结构工程分会2006年全国桥梁学术会议，2006.

[3]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[4]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[5]宗周红，夏樟华，陈宜言，等.既有桥梁拓宽改造纵向接缝研究现状与实例分析[J].福州大学学报(自然科学版)，2009(2)：248-260.

[6]刘国强.桩基础施工及其沉降观测与控制措施[J].科技创新导报，2008(22)：103.

[7]邹力，吴兴序，马建林.桩侧压浆控制群桩基础沉降量研究[J].中国铁道科学，2010，31(1)：16-20.

[8]李锋.预压在处理桥梁沉降中的运用[J].石家庄铁道学院学报，2003(S1)：50-52.

2016-01-22

赵利国(1979-)，男，工程师，主要从事桥梁及隧道工程设计。

；1008-844X(2016)03-0150-04

；U 445.6

；A