桥墩桩基抗冲刷安全性分析及加固设计要点

宋重阳，胡承泽，龚辉朋

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

随着社会经济的发展，桥梁作为跨越山谷或河流的重要结构，加快了地区间的交通联系。由于洪水冲刷或人为的河道采砂等原因，会导致河床冲刷、桥墩桩基外露等现象，严重影响桥梁安全性。本文以湖北省黄冈市上巴河桥为背景，对桥墩桩基抗冲刷安全性及加固设计要点进行了探讨，可为同类型桥梁借鉴。

1 桥梁概况

湖北省黄冈市上巴河桥跨越巴河，2007年建成通车。桥梁全长466 m，桥宽12.5 m，行车道净宽9 m，两侧人行道宽1.75 m。上部结构采用23×20 m预应力混凝土简支空心板，下部结构桥墩采用双圆柱墩，柱径1.2 m、桩径1.5 m。主河道内桥墩墩柱高11.3 m，桩长18.5 m(嵌入中风化岩层1.5 m，中风化岩层以上为17 m厚中粗砂层)。汽车荷载等级：公路-Ⅱ级，人群荷载3.5 KN/m2。

由于上巴河采砂严重，导致河床下降，至2018年，主河道桩基普遍冲刷外露8～9 m，最大冲刷外露高度达9.6 m，平均冲刷80 cm/年。

2 桥墩抗冲刷安全性分析

2.1 分析思路

2007年通车至今，桩基最大冲刷深度已达9.6 m，冲刷最严重的桥墩河床线以上墩柱及桩基总高度达20.9 m，河床线以下桩基最小埋深仅8.9 m(中粗砂层7.4 m+入岩1.5 m)。

为了更好的掌握桩基冲刷现状条件下以及远期桩基冲刷最不利状况条件下桥墩抗冲刷稳定及安全性，考虑一定的桩身冲刷及表面缺陷，分2种工况验算桥墩桩基承载力：

工况一：按目前桩基最大冲刷深度9.6 m，桩基入粗砂层7.4 m+嵌岩1.5 m；

工况二：按远期桩基冲刷最不利状况，中粗砂层全部冲刷，仅桩端入岩1.5 m。

2.2 设计荷载

(1)上部结构恒载：①空心板自重；②桥面铺装；③护栏；④人行道板。

(2)上部结构活载。设计荷载为公路-Ⅱ级，人群3.5 KN/m2，行车道净宽9 m，人行道2×净1.5 m。上部结构活载包括：①公路-Ⅱ级汽车荷载；②汽车制动力；③人群荷载。

2.3 有限元模型

采用Midas2019建立桥墩有限元模型。桩周边界条件：中粗砂层采用土弹簧模拟，桩端在基岩顶面固结。

2.4 强度验算

在承载能力极限状态基本组合作用下。

工况一，桩身最大弯矩出现在中粗砂层顶面以下1 m左右，最大弯矩Md=787.6 KN·m，见图1，对应的轴力Nd=4 852.3 KN。

工况二，桩身最大弯矩出现在基岩顶面处，最大弯矩Md=1 033.7 KN·m，见图2，对应的轴力Nd=5 199.8 KN。

图1 工况一弯矩计算 图2 工况二 弯矩计算结果/KN·m 结果/KN·m

桥墩强度计算的一个最关键因素是计算长度取值，滑动支座按2倍的实际长度考虑，橡胶支座按1.3倍的实际长度考虑。9#墩顶设板式橡胶支座，桥墩及桩基自由总长度为l，计算长度偏安全取l0=2l。按沿周边均匀配置纵向钢筋的圆形截面钢筋混凝土偏心受压构件，验算桩基正截面抗压承载能力，验算结果见表1。

表1 桩身强度验算结果表

(1)按桩基冲刷现状，桩基入中粗砂层7.4 m，桩基入岩1.5 m，桩身强度验算安全系数1.34，桩身强度满足规范要求，但安全富余较小。

(2)考虑远期桩基冲刷最不利情况，中粗砂层全部冲刷，仅桩端入岩1.5 m，桩身强度验算安全系数0.76，桩身强度不满足规范要求。

2.5 稳定性验算

2种工况条件下，桥墩屈曲模态见图3～图4，稳定性计算结果见表2。

图3 一阶屈曲模态(顺桥向) 图4 二阶屈曲模态(横桥向)

表2 桥墩稳定性验算结果表

(1)按桩基冲刷现状，桩基入中粗砂层7.4 m，桩基入岩1.5 m，桥墩一阶屈曲模态为顺桥向屈曲，稳定系数为7.58>4，满足规范要求。

(2)考虑远期桩基冲刷最不利情况，中粗砂层全部冲刷，桩基仅入岩1.5 m，桥墩一阶屈曲模态为顺桥向屈曲，稳定系数为5.85>4，满足规范要求，但稳定系数安全富余较小。

3 加固设计要点

3.1 设计思路

根据前面分析，在桩基冲刷现状条件下，桥墩及桩基验算满足规范要求，但安全富余均较小；考虑远期桩基冲刷最不利状况，桩身强度不满足规范要求，且下部结构稳定系数偏低。为保证桥墩及桩基抗冲刷安全及稳定性，需对桥墩及桩基进行承载能力加固。

3.2 桥墩加固方案

桥墩桩基加固最有效的是“抬桩法”加固，即在桥墩两侧新增4根Φ120 cm桩基，并新增工字形承台，新增承台通过植筋与原桩基连接，以保证新老桩基共同受力。

3.3 加固后桥墩验算

桥墩加固后的验算考虑桩基冲刷最不利情况，中粗砂层全部冲刷，仅桩端入岩1.5 m。有限元模型及主要计算结果见图5～图7。

(1)桥墩加固模型 (2)桥墩加固一阶屈曲模态 (顺桥向稳定系数20.46)图5 桥墩加固

桥墩桩基采用“抬桩法”加固后，桥墩为群桩受力状态，主要结论：

(1)单桩基本处于轴心受压状态， 桩身强度验算满足规范要求；

图6 桥墩加固后轴力图/KN

图7 桥墩加固后弯矩图/KN·m

(2)桥墩下部顺桥向刚度提高，稳定性系数提升至20.46，满足规范要求。

4 结 论

本文结合实际工程项目对桥墩冲刷安全及稳定性分析方法进行了研究，并根据分析结果对桩基采用“抬桩法”加固，加固后桥墩桩基强度及稳定性大大提升，证明了桥墩抗冲刷安全性分析方法及加固设计方案合理可行，可供其他同类型工程实践参考。