河道疏浚对城市桥梁的影响分析

任东华 袁浩 康圣雨

（中铁西南科学研究院有限公司）

1 工程概况

某跨河城市桥梁桥长290m、宽18m。主桥采用变截面预应力混凝土连续梁桥，跨径组合为30m+2×45m+30m。引桥由2 跨预应力混凝土连续梁桥和1 跨现浇钢筋混凝土简支空心板桥组成，跨径组合均为2×30m+10m。桥墩采用变截面矩形桥墩，基础均采用钻孔灌注桩，桩基直径均为1.5m，桩端嵌入完整稳定的弱风化岩层，嵌入深度≥6m。

为提升河道防洪能力预留疏浚作业空间，拟对河床进行开挖。现状场地整体地形有一定的起伏，河床标高为440.337～441.704m。疏浚要求的河床标高不得高于436.00m，否则将导致桩基外露24.2～131.3㎝。

桥位场地工程地质情况：⑴范围内地基土按时代和成因划分为：第四系全新统杂填土层①（Q4ml）、第四系全新统冲洪积（Q4al+pl）砂卵石层②、白垩系灌口组泥岩层③（K2g）三个工程地质层；⑵桥位场地地震基本烈度为Ⅵ度，场区地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s。

为研究河床开挖基础外露对桩基的影响，对河床开挖前后桩基受力与结构动力特性及地震响应进行了计算与分析。

2 有限元模拟分析

采用有限元计算软件MIDAS Civil 进行计算，考虑自重、二期恒载、移动荷载、制动力、水流压力、温度荷载等作用，并结合现场检测成果进行建模分析。

主梁、墩柱及桩基均采用空间杆系单元模拟，单元质量采用集中质量代表，支座依据实际支座的力学特性模拟，混凝土结构的阻尼比取0.05；桩土作用在模型中以节点弹簧支承模拟，地基弹性刚度按“m 法”结合地质情况近似模拟[1-2]。

3 桩基承载力验算

本桥采用单排桩或双排桩接承台基础，群桩效应不明显。河床开挖后，由低桩承台基础变为高桩承台基础。对于端承桩，在桩端平面处地基所受压力可认为只分布在桩端面积范围内。因此可认为群桩基础各桩的工作情况与独立单桩相同[3]。

3.1 单桩竖向承载力验算

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019）进行桩基础的竖向承载力验算。结合有限元计算得到最不利组合效应下各墩桩基最大反力，见表1。

表1 桩基反力计算结果

以最不利8#墩桩基为例进行验算，河床疏浚下切前后桩基埋置深度内土质分布情况见表2。

按嵌入基岩中的钻孔桩计算单桩轴向受压承载力特征值Ra。8#墩单桩承载能力验算结果：开挖前桩基最大反力为7085kN，开挖后为7148kN；开挖前承载力特征值为17650kN，开挖后为17184kN。

表2 河道疏浚前后桩基埋置深度内土质分布

由于河床疏浚，造成桩基上部土层减少，开挖后单桩竖向承载力特征值也降低。但该桩为端承桩，桩基大部分已嵌入中风化岩中，开挖部分的土层桩周土摩阻力标准值相对较小，因此对单桩竖向承载力特征值影响较小，开挖后桩基单桩竖向承载力满足规范要求。

3.2 桩基强度及裂缝宽度验算

按“m”法计算桩基作用效应，桩底嵌固在基岩中的单排桩式桥墩计算示意见图1。

图1 桩底嵌固在基岩中的单排桩式桥墩计算图

图中，H 为桩柱顶水平力；P 为桩柱顶竖向力；M 为桩柱顶弯矩；Δ 为桩柱顶水平位移；n 为桩式墩上段抗弯刚度E1I1与下段抗弯刚度EI 的比值；h1为地面到桩顶高度；h2为墩身高度；h 为地面到基岩厚度。

桩身入土段任一深度z 处的弯矩见表3。开挖后地面线以下土层范围内桩截面内力均显著增大，进入岩层后变化不大。开挖后桩基最大弯矩发生在距承台底z=2.0m 处，此处设计最大弯矩为Mz，max=1402.9kN，相应竖向力为Nz=7981.8kN。

表3 地面或局部冲刷线处深度z 处桩截面内力

考虑偏心增大效应，开挖后最不利组合用下桩基截面强度验算结果见表4。这里按圆形截面偏心受压构件且满足e0/r≤0.55，无需进行裂缝宽度验算。

表4 开挖后桩基截面强度验算结果

综上可得，基础外露后，由于附加弯矩作用，地面线以下土层范围内桩截面内力均显著增大，但桩基强度仍满足要求。

3.3 桩基顶面水平位移验算

根据上部结构静力计算结果，8# 墩顶水平力H=346.5kN，竖向力P=20545kN。

桩顶水平位移验算结果详见表5。开挖后在附加弯矩作用下，桩柱顶水平位移有所增加，但未超限值。

表5 桩柱顶水平位移验算结果

4 结构动力特性与地震响应分析

为研究河床开挖对结构动力特性的影响，根据计算模型进行模态分析。

开挖前后结构频率见表6。开挖前后顺桥向1 阶振型均表现为8#墩纵向弯曲，横向1 阶振型表现为墩梁横向侧弯，但改造开挖后墩柱频率均有所降低，主要是因为墩周河床开挖减小了桩基础的地基约束。

表6 开挖前后1阶模态

本桥抗震设防分类为B 类，抗震措施等级为二级。抗震设计方法选择3 类。但此处开挖后按2 类进行E1地震作用下的抗震分析和抗震验算。本桥为规则桥梁，以下按MM 反应谱方法进行分析。

⑴E1 地震作用下抗震分析与结构内力计算：本桥为B 类，I 类场地，桥梁抗震重要性系数Ci取0.43，场地系数Cs 取1.2。

E1 地震作用下，采用总体空间模型计算桥梁的地震反应。E1 地震作用下，8#墩桩基开挖后桩基纵桥向最大弯矩发生在距承台底z=3.0m 处。最大内力：纵桥向，Mz，max=975.9kN·m、Nz，max=5693.6kN、Fmax=461.5kN；横桥向，Mz，max=211.6kN·m、Nz，max=5693.6kN、Fmax=121.8kN。作用效应在纵桥向明显大于横桥向。因此，按纵桥向E1 地震作用下桩基内力控制验算。

⑵E1 地震作用下桩基单桩竖向承载力及桩柱顶水平位移验算。E1 地震作用下，最不利8#墩桩基最大反力为：P=7493.3kN＜γRRa=17184kN。单桩竖向承载力满足要求。

E1 地震作用下最不利8#墩桩柱顶水平位移纵桥向8.29mm，横桥向3.45mm，均有所增大，但未超限值。

⑶E1 地震作用下桩基强度验算。E1 地震作用下桩基强度验算结果见表7。可知，河床开挖后E1 地震作用下桩身强度仍满足要求。

表7 开挖后E1地震作用下桩基截面强度验算结果

5 结论

通过分析疏浚开挖对桥梁桩基的影响，得出以下结论：

⑴河道疏浚开挖致使基础外露，由低桩承台基础变为高桩承台基础。单桩竖向承载力特征值相应降低，基底反力有所增加。但开挖部分的土层桩周摩阻力相对较小，对单桩竖向承载力特征值影响不大。附加弯矩作用地面线以下土层范围内桩截面内力均显著增大，但桩基强度仍满足要求。

⑵河道疏浚开挖桩基外露导致基础约束减弱，桥墩纵、横向频率均有所降低，对纵桥向动力特性影响较明显。E1 地震作用下桩柱顶水平位移均有所增大，但桩基水平位移、单桩竖向承载力及桩身强度仍满足要求。

⑶为避免桥位处因冲刷影响导致土体流失致使桩基进一步外露，影响桥梁运营安全，应对桥位处河床采取河床固化处理，对桩周采取防护措施。