桥侧堆载对桥梁桩基的影响分析及处理方法

张晓曦

(苏交科集团股份有限公司 南京 210017)

公路桥梁基础以桩-承台基础为主，这种深基础形式在控制桥梁的工后沉降方面效果显著。但近年来，随着我国城市化的快速发展，基础建设的规模日益增大，大量的工程建设势必会产生多余的堆土及弃方。这些弃方若堆在桥梁墩台周围，会对附近的桥梁墩台与基础产生两方面的影响：一是桩周堆土会在桩身产生负摩擦力，增加桩的竖向荷载并产生不均匀的沉降；二是桩临近堆载的一侧会受到额外的水平推力，引起桩的挠曲变形，从而造成上部结构产生偏移甚至不能正常使用。现行的公路桥梁设计时，很少对公路沿线弃方堆于桥梁周围而引起的不利因素进行考虑，对施工及运营中堆载引起的工程病害亦未重视，易引发工程事故。

本文以某斜拉桥为例，对已存在的桥梁附近堆载进行监测分析，提出处理方案并分析实际处理效果。

1 桥梁概况

某斜拉桥主桥为独塔单索面双跨预应力混凝土斜拉桥，塔、墩、梁刚接，跨径组合105 m(主跨)+70 m(锚跨)，桥面总宽36.5 m；引桥为现浇连续箱梁和简支梁，跨径分别为30，40 m；桥梁总体布跨为2×(4×30 m)+40 m+(70 m+105 m)+3×30 m；主墩采用薄壁箱-柱组合式桥墩，锚墩、边墩及引桥均为桩柱式桥墩；桥梁基础均采用桩基础。

该桥梁正常运营已超过10年，但根据近期桥梁定期检测发现：桥梁附近存在大面积违规弃土，弃土场坡脚距离桥梁最小距离约13 m，弃土场长168 m、宽150 m、高13 m，桥侧堆土高度已基本与桥面齐平。过高的堆土会对桥梁桩基产生附加侧向应力，引起桩基的挠曲变形，给桥梁造成重大安全隐患。

2 观测点的布置

为评估堆土对桥梁的实际影响，需分析地基的变形。针对实际情况，拟埋设部分测斜管，以便长周期观察地基的侧向变形。

根据工程地质情况及现场管线布置情况,布设了4根测斜管,具体位置见图1。

图1 检测管的布设(单位：m)

测斜管在埋入后的第一个月测量1次。受篇幅所限，本文仅给出其中某个测斜管的形变数据，见图2。

图2 测斜管变位

由图2可见，测斜管在埋入1个月后，桩基顶部附近土的侧向位移已经达到5 mm。考虑到土体并非完全的弹性体，堆载对桥梁的影响有一定的延时性，因而桥墩桩基存在重大安全隐患，需进行整治。

3 桥桩水平位移安全标准

目前国内对桥桩的水平位移控制尚无定论，因此本文参考了美国相关研究的标准。美国交通研究委员会将“桩基不可承受的变形”即变形控制标准定义如下：所谓不可承受的变形是指该变形将导致上部建筑结构破坏，因而需要付出高昂的维护或者修复费用，甚至重新修建更昂贵的结构。美国联邦高速公路管理局(FHWA，1985)对桩基允许变形进行了研究，并给出了相关标准，即仅有水平位移的情况下桩顶水平位移超过50 mm 则进入危险区段；桩端在水平位移和竖向位移共同作用情况下，桩顶水平位移超过25 mm则进入危险区域，需要进行整治。

由于桩基不仅受到堆载的水平附加应力的影响，桥梁上部结构的自重也会使桩端产生竖向位移，因此将桩的水平位移安全限值定为25 mm。

4 计算过程和结果

首先，依据圣维南原理，作用于弹性体上一小块面积(或体积)的荷载所引起弹性体中的应力，在离荷载作用区稍远的地方，基本只与荷载的合力和合力矩相关；而荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布[1]。因而可以将实际杂乱无章的堆土按照总重度和力矩不变的原则，简化为均布荷载，然后按式(1)计算附加应力。

(1)

式中[2]：q为均布荷载数值；α为z深度下某点与均布荷载中点的连线与竖直方向的夹角；β为z深度下某点与均布荷载两端形成的夹角。

计算出的8 m堆载下，桩侧附加荷载分布见图3。

图3 应力随深度的分布

对于桩在横轴向荷载作用下的内力与位移的计算，国内外学者提出了许多方法。目前较为普遍的是采用文克尔假定，该方法称为弹性地基梁法。

以文克尔假定为基础的弹性地基梁法从土力学观点看是不够严密的，但其基本概念明确，方法简单，结构一般偏安全，因此，在国内外工程界得到广泛应用。

弹性地基梁概念中土抗力σzx与横向位移关系如式(2)

σzx=Cxz

(2)

式中：σzx为横向土抗力，kN/m2;C为地基系数，kN/m3;xz为深度z处桩的横向位移，m。

地基系数C值是通过对试桩在不同类别土质及不同深度进行实测xz及σzx后反算得到。我国公路、铁路在桩基基础设计中普遍采用“m”法[3]，则假定地基系数随深度成正比分布，如式(3)

C=mz

(3)

式中：m为地基土比例系数,kN/m4。

利用材料力学，可得到梁的挠曲微分方程为

(4)

式中：E，I为分别为桩的弹性模量及界面惯性矩；z为桩的长度，m；xz为桩在长度z处的横向位移，m；b1为桩的计算宽度，m。

利用式(4)，结合桩顶及桩底的边界条件，则可求解出桩的水平位移x及转角φ。考虑到高阶微分方程求解的复杂性，这里不再赘述。

在如今的工程设计中，随着计算机技术的发展，受连续荷载的桩的位移计算成为了可能。基本思路是将桩分成若干小段，每一段上分布的荷载可等效施加集中荷载，以此求出每一段桩的位移，然后叠加得到桩的总位移。

理正岩土软件包含弹性地基梁的计算模块。可以将受附加水平土压力产生侧向位移的桩，看成是竖直放置的弹性地基梁，因而可以利用文克尔弹性地基梁的思路和理论，采用理正岩土软件求解。

用弹性地基梁法计算时，土的水平基床系数k，按式(5)、(6)计算。

(5)

(6)

式中：E为土的弹性模量，Pa；b为梁的宽度，此处取桩的计算宽度，m；υ为土的泊松比；Es为土层的侧限压缩模量，Pa；IC为基础脚影响系数。

依照《基础工程》[4]中表3-2可以得到IC=0.64，υ、Es可以利用相应的地勘报告得到。计算得到的土层参数见表1。

表1 各土层参数

荷载的加载:将每层土上分布的侧向荷载简化为梯形分布的荷载。加载效果见图4。

图4 荷载沿桩身的分布(单位：尺寸，m；地基系数，kN/m3)

桩身侧向位移计算结果见图5。

图5 堆载引起的桩身侧向位移(单位：mm)

从图5可见，在堆载的作用下，桩顶的位移将达到35.7 mm。这已经超出了25 mm的安全限值。这里注意到，由于桩顶受到承台的约束，且依据图3、图4，堆载对桩的应力分布规律为先增加后减小，因而桩的最大位移并非出现在桩顶，而是在距桩顶1/4附近。这也说明计算结果符合桩的实际受力及约束情况。

依据前述土应力的计算公式可知，土应力的大小与均布荷载的数值有直接关系，因此，可试算不同高度下桩顶的位移，并据此制定处理措施。

将堆载高度减少至6，4 m后，相应的应力分布见图6、图7。

图6 6 m堆载时应力分布

图7 4 m堆载时应力分布

利用前述方法，计算出相应的桩顶位移见图8、图9。

图8 6 m堆载时侧位移计算结果(单位：mm)

图9 4 m堆载时侧位移计算结果(单位：mm)

由图8、图9可以看到，减载后桩顶位移降低明显，堆载高度为6，4 m时的桩顶侧位移见表2。

表2 减载后桩顶位移

5 处理措施与结果

依据表2结果，结合上述安全标准，初步提出2个方案：①降低堆载高度；②以桥梁为对称轴，在对称位置堆载同样高度的土堆。考虑到该桥梁所在地为密集工业地区，土地价格昂贵，且堆载会破坏环境的美观。因此，拟定将土堆高度削减至4 m，以保证桥梁安全。

本次计算堆载作用下的最终位移为理论值，由于堆载时间较短且斜拉桥一直处于监测状态，位移暂未超过安全极限，因此采用经济实用的减载方式；若超过，需结合桥梁配筋数据等，进一步验证桥梁在此变位下的安全性，这里不再赘述。

6 结论

1) 桥梁附近的堆载，会产生附加的水平应力，进而引起桥梁桩基的挠曲及水平变位。

2) 以弹性地基梁法为理论基础，结合数值分析方法，可以计算出桩基的水平位移，该位移与实际观测结果相吻合。

3) 采用减载措施，可有效消除堆载造成的危害且较为经济实用。在其他工程中，可结合实际需要及经济技术能力，对桥梁采取合理的加固等措施。