河道疏浚對城市橋梁的影響分析

任東華 袁浩 康圣雨

（中鐵西南科學(xué)研究院有限公司）

1 工程概況

某跨河城市橋梁橋長290m、寬18m。主橋采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，跨徑組合為30m+2×45m+30m。引橋由2 跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋和1 跨現(xiàn)澆鋼筋混凝土簡支空心板橋組成，跨徑組合均為2×30m+10m。橋墩采用變截面矩形橋墩，基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁，樁基直徑均為1.5m，樁端嵌入完整穩(wěn)定的弱風(fēng)化巖層，嵌入深度≥6m。

為提升河道防洪能力預(yù)留疏浚作業(yè)空間，擬對河床進(jìn)行開挖?，F(xiàn)狀場地整體地形有一定的起伏，河床標(biāo)高為440.337～441.704m。疏浚要求的河床標(biāo)高不得高于436.00m，否則將導(dǎo)致樁基外露24.2～131.3㎝。

橋位場地工程地質(zhì)情況：⑴范圍內(nèi)地基土按時代和成因劃分為：第四系全新統(tǒng)雜填土層①（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q4al+pl）砂卵石層②、白堊系灌口組泥巖層③（K2g）三個工程地質(zhì)層；⑵橋位場地地震基本烈度為Ⅵ度，場區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35s。

為研究河床開挖基礎(chǔ)外露對樁基的影響，對河床開挖前后樁基受力與結(jié)構(gòu)動力特性及地震響應(yīng)進(jìn)行了計算與分析。

2 有限元模擬分析

采用有限元計算軟件MIDAS Civil 進(jìn)行計算，考慮自重、二期恒載、移動荷載、制動力、水流壓力、溫度荷載等作用，并結(jié)合現(xiàn)場檢測成果進(jìn)行建模分析。

主梁、墩柱及樁基均采用空間桿系單元模擬，單元質(zhì)量采用集中質(zhì)量代表，支座依據(jù)實(shí)際支座的力學(xué)特性模擬，混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05；樁土作用在模型中以節(jié)點(diǎn)彈簧支承模擬，地基彈性剛度按“m 法”結(jié)合地質(zhì)情況近似模擬[1-2]。

3 樁基承載力驗(yàn)算

本橋采用單排樁或雙排樁接承臺基礎(chǔ)，群樁效應(yīng)不明顯。河床開挖后，由低樁承臺基礎(chǔ)變?yōu)楦邩冻信_基礎(chǔ)。對于端承樁，在樁端平面處地基所受壓力可認(rèn)為只分布在樁端面積范圍內(nèi)。因此可認(rèn)為群樁基礎(chǔ)各樁的工作情況與獨(dú)立單樁相同[3]。

3.1 單樁豎向承載力驗(yàn)算

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG 3363-2019）進(jìn)行樁基礎(chǔ)的豎向承載力驗(yàn)算。結(jié)合有限元計算得到最不利組合效應(yīng)下各墩樁基最大反力，見表1。

表1 樁基反力計算結(jié)果

以最不利8#墩樁基為例進(jìn)行驗(yàn)算，河床疏浚下切前后樁基埋置深度內(nèi)土質(zhì)分布情況見表2。

按嵌入基巖中的鉆孔樁計算單樁軸向受壓承載力特征值Ra。8#墩單樁承載能力驗(yàn)算結(jié)果：開挖前樁基最大反力為7085kN，開挖后為7148kN；開挖前承載力特征值為17650kN，開挖后為17184kN。

表2 河道疏浚前后樁基埋置深度內(nèi)土質(zhì)分布

由于河床疏浚，造成樁基上部土層減少，開挖后單樁豎向承載力特征值也降低。但該樁為端承樁，樁基大部分已嵌入中風(fēng)化巖中，開挖部分的土層樁周土摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值相對較小，因此對單樁豎向承載力特征值影響較小，開挖后樁基單樁豎向承載力滿足規(guī)范要求。

3.2 樁基強(qiáng)度及裂縫寬度驗(yàn)算

按“m”法計算樁基作用效應(yīng)，樁底嵌固在基巖中的單排樁式橋墩計算示意見圖1。

圖1 樁底嵌固在基巖中的單排樁式橋墩計算圖

圖中，H 為樁柱頂水平力；P 為樁柱頂豎向力；M 為樁柱頂彎矩；Δ 為樁柱頂水平位移；n 為樁式墩上段抗彎剛度E1I1與下段抗彎剛度EI 的比值；h1為地面到樁頂高度；h2為墩身高度；h 為地面到基巖厚度。

樁身入土段任一深度z 處的彎矩見表3。開挖后地面線以下土層范圍內(nèi)樁截面內(nèi)力均顯著增大，進(jìn)入巖層后變化不大。開挖后樁基最大彎矩發(fā)生在距承臺底z=2.0m 處，此處設(shè)計最大彎矩為Mz，max=1402.9kN，相應(yīng)豎向力為Nz=7981.8kN。

表3 地面或局部沖刷線處深度z 處樁截面內(nèi)力

考慮偏心增大效應(yīng)，開挖后最不利組合用下樁基截面強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果見表4。這里按圓形截面偏心受壓構(gòu)件且滿足e0/r≤0.55，無需進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算。

表4 開挖后樁基截面強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

綜上可得，基礎(chǔ)外露后，由于附加彎矩作用，地面線以下土層范圍內(nèi)樁截面內(nèi)力均顯著增大，但樁基強(qiáng)度仍滿足要求。

3.3 樁基頂面水平位移驗(yàn)算

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)靜力計算結(jié)果，8# 墩頂水平力H=346.5kN，豎向力P=20545kN。

樁頂水平位移驗(yàn)算結(jié)果詳見表5。開挖后在附加彎矩作用下，樁柱頂水平位移有所增加，但未超限值。

表5 樁柱頂水平位移驗(yàn)算結(jié)果

4 結(jié)構(gòu)動力特性與地震響應(yīng)分析

為研究河床開挖對結(jié)構(gòu)動力特性的影響，根據(jù)計算模型進(jìn)行模態(tài)分析。

開挖前后結(jié)構(gòu)頻率見表6。開挖前后順橋向1 階振型均表現(xiàn)為8#墩縱向彎曲，橫向1 階振型表現(xiàn)為墩梁橫向側(cè)彎，但改造開挖后墩柱頻率均有所降低，主要是因?yàn)槎罩芎哟查_挖減小了樁基礎(chǔ)的地基約束。

表6 開挖前后1階模態(tài)

本橋抗震設(shè)防分類為B 類，抗震措施等級為二級。抗震設(shè)計方法選擇3 類。但此處開挖后按2 類進(jìn)行E1地震作用下的抗震分析和抗震驗(yàn)算。本橋?yàn)橐?guī)則橋梁，以下按MM 反應(yīng)譜方法進(jìn)行分析。

⑴E1 地震作用下抗震分析與結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算：本橋?yàn)锽 類，I 類場地，橋梁抗震重要性系數(shù)Ci取0.43，場地系數(shù)Cs 取1.2。

E1 地震作用下，采用總體空間模型計算橋梁的地震反應(yīng)。E1 地震作用下，8#墩樁基開挖后樁基縱橋向最大彎矩發(fā)生在距承臺底z=3.0m 處。最大內(nèi)力：縱橋向，Mz，max=975.9kN·m、Nz，max=5693.6kN、Fmax=461.5kN；橫橋向，Mz，max=211.6kN·m、Nz，max=5693.6kN、Fmax=121.8kN。作用效應(yīng)在縱橋向明顯大于橫橋向。因此，按縱橋向E1 地震作用下樁基內(nèi)力控制驗(yàn)算。

⑵E1 地震作用下樁基單樁豎向承載力及樁柱頂水平位移驗(yàn)算。E1 地震作用下，最不利8#墩樁基最大反力為：P=7493.3kN＜γRRa=17184kN。單樁豎向承載力滿足要求。

E1 地震作用下最不利8#墩樁柱頂水平位移縱橋向8.29mm，橫橋向3.45mm，均有所增大，但未超限值。

⑶E1 地震作用下樁基強(qiáng)度驗(yàn)算。E1 地震作用下樁基強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果見表7。可知，河床開挖后E1 地震作用下樁身強(qiáng)度仍滿足要求。

表7 開挖后E1地震作用下樁基截面強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

5 結(jié)論

通過分析疏浚開挖對橋梁樁基的影響，得出以下結(jié)論：

⑴河道疏浚開挖致使基礎(chǔ)外露，由低樁承臺基礎(chǔ)變?yōu)楦邩冻信_基礎(chǔ)。單樁豎向承載力特征值相應(yīng)降低，基底反力有所增加。但開挖部分的土層樁周摩阻力相對較小，對單樁豎向承載力特征值影響不大。附加彎矩作用地面線以下土層范圍內(nèi)樁截面內(nèi)力均顯著增大，但樁基強(qiáng)度仍滿足要求。

⑵河道疏浚開挖樁基外露導(dǎo)致基礎(chǔ)約束減弱，橋墩縱、橫向頻率均有所降低，對縱橋向動力特性影響較明顯。E1 地震作用下樁柱頂水平位移均有所增大，但樁基水平位移、單樁豎向承載力及樁身強(qiáng)度仍滿足要求。

⑶為避免橋位處因沖刷影響導(dǎo)致土體流失致使樁基進(jìn)一步外露，影響橋梁運(yùn)營安全，應(yīng)對橋位處河床采取河床固化處理，對樁周采取防護(hù)措施。