梁橋加寬樁基礎(chǔ)沉降差控制技術(shù)分析

李秋陽

北京中咨華安交通科技發(fā)展有限公司，北京 100080

新舊橋梁由于建設(shè)時(shí)間的差異，導(dǎo)致樁基出現(xiàn)不同程度的沉降，形成沉降差。這種沉降差嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致橋面鋪裝出現(xiàn)縱向裂縫，使橋梁發(fā)生毀壞。針對(duì)該現(xiàn)象，我國相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬等研究，雖然取得了一些成果，但是該類問題的解決方案仍然需要完善。周建[1]通過蠕變模型對(duì)樁底的附加應(yīng)力進(jìn)行分析，總結(jié)了適合樁基工后沉降的計(jì)算公式。高盟[2]通過剪切位移法，提出了樁基沉降的分析算法，并推導(dǎo)出位移與軸力之間的關(guān)系。王東棟[3]分析出了樁頂沉降的解析方法，經(jīng)過反算得到一定時(shí)間范圍內(nèi)的樁頂沉降數(shù)值解。以上學(xué)者的研究為該課題提供了分析方法，但仍需一定的理論分析，因此文章具有一定的理論意義。

1 案例分析

1.1 工程概況

文章依托工程為某高速公路，其中標(biāo)段的橋梁為擴(kuò)建工程。該高速公路進(jìn)行改建前為雙向四車道，隨著交通流量的逐年增長，車道數(shù)不能滿足現(xiàn)行要求，因此需對(duì)該段進(jìn)行擴(kuò)建，擴(kuò)建后的車道數(shù)為雙向八車道。項(xiàng)目所在地地形復(fù)雜，土的壓縮系數(shù)較大，地層巖性和結(jié)構(gòu)不同，易產(chǎn)生不均勻沉降。原橋的沉降變形已經(jīng)完成。

1.2 模型建立

橋梁樁基所受的承載力由巖土體的摩阻力和樁端阻力共同提供，因此在進(jìn)行模型建立時(shí)需對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，以此反映樁土的相互作用。在建立新舊樁基的沉降差異控制模型時(shí)，應(yīng)采用實(shí)體單元。為了保證計(jì)算結(jié)果的精確度，對(duì)模型應(yīng)進(jìn)行以下規(guī)定：X表示行車方向；Y表示橋梁的橫向；Z表示樁基的方向。

2 樁基承載特性分析

文章通過有限元建立A大橋模型，并對(duì)舊橋的樁基特性進(jìn)行分析。通過相關(guān)計(jì)算得出樁基極限承載力、允許承載力、上部恒載、沉降量，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，原橋的樁基承載力達(dá)到允許值時(shí)，產(chǎn)生的變形量為12.9mm，通過對(duì)舊橋的結(jié)構(gòu)自重進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算可知，單樁樁頂產(chǎn)生的恒載為2500kN，沉降量為2.2mm。

表1 舊橋計(jì)算結(jié)果

通過相同的方法對(duì)新橋的樁基承載特性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，新橋的樁基承載力達(dá)到允許值時(shí)，產(chǎn)生的變形量為13.2mm，通過對(duì)新橋的結(jié)構(gòu)自重進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算可知，單樁樁頂產(chǎn)生的恒載為2800kN，沉降量為1.9mm。

3 樁基沉降控制技術(shù)

3.1 注漿沉降控制

通過對(duì)樁基周邊的地基進(jìn)行加固可以看出，樁基所在巖土層由多種不同巖層組成，每一層巖層的物理特性不盡相同，因此巖土體提供的摩阻力存在一定的差異。在進(jìn)行注漿施工時(shí)，注漿工藝、注漿材料不同，最后導(dǎo)致加固后的樁基承載力也不同[4-7]。因此文章以土層的物理參數(shù)作為變量，建立了不同的工況，具體如表2所示。

表2 不同物理參數(shù)下的工況

文章采用與原橋相同的基礎(chǔ)形式，樁長為15m、樁徑為1.5m，通過計(jì)算分析來表明注漿對(duì)樁基承載力的影響。

（1）極限承載力變化情況。根據(jù)不同工況建立樁基力學(xué)模型，通過改變土層的物理參數(shù)繪制荷載-沉降曲線。對(duì)原橋的樁基、不同工況下的樁基進(jìn)行承載特性分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 樁基承載力變化曲線

由圖1可知，注漿強(qiáng)度越高，樁側(cè)阻力也出現(xiàn)增大的趨勢(shì)，樁端阻力的數(shù)值變化不明顯。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，注漿后的樁側(cè)阻力比未注漿工況分別增加了14.3%、20.0%、26.3%和26.9%。樁端阻力的數(shù)值變化較小，但其占樁基礎(chǔ)極限承載力比值減小。

（2）樁基沉降變形分析。以未注漿的樁基容許承載力作為基準(zhǔn)，與其他工況進(jìn)行對(duì)比，分析樁基在荷載作用下注漿前后沉降控制效果。樁基注漿前后沉降變形圖如圖2所示。

圖2 樁基注漿前后沉降變形圖

由圖2可知，在9605kN的荷載下，樁基的沉降量隨著注漿參數(shù)的增大而出現(xiàn)降低的情況。工況4的沉降量最小，數(shù)值約為9mm，相比于未注漿工況沉降量減少了約2.3mm。通過數(shù)值分析可得出，樁側(cè)注漿技術(shù)在原橋樁基沉降控制中的效果較好。

（3）恒載、容許承載力分析。不同工況下的荷載值如表3所示，由表3可知，注漿強(qiáng)度由工況2到工況4變化過程中，容許沉降量基本保持穩(wěn)定。數(shù)值變化表明，提高巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，樁基加固的效果并不明顯。注漿強(qiáng)度為注漿3時(shí)，樁基容許沉降量基本沒有變化，這是因?yàn)樽{強(qiáng)度不僅與工況樁側(cè)注漿的強(qiáng)度有關(guān)，還與施工工藝、施工方法有較大影響。

表3 不同工況下的荷載值

3.2 增加樁數(shù)

為了研究樁數(shù)對(duì)承載力及樁頂沉降的影響，文章設(shè)定了以下三種工況：單樁、雙樁、三樁。雙樁工況下，兩樁基礎(chǔ)間的距離為3m[8-10]；三樁工況下，兩樁間的距離為2.83m。樁長的取值為20m，樁徑的取值為1.5m。

（1）極限承載力。當(dāng)樁數(shù)量由1根變?yōu)?根時(shí)，樁端阻力出現(xiàn)增大的變化趨勢(shì)，但樁側(cè)摩阻力隨著樁數(shù)的增加而逐漸減小，樁側(cè)摩阻力分別為極限承載力的72.3%、68.5%、67.9%。

（2）樁基沉降變形。當(dāng)樁的數(shù)量增加時(shí)，樁基的承載力也會(huì)增加，相比于極限承載力作用時(shí)，樁頂沉降量呈現(xiàn)出增長的趨勢(shì)。此時(shí)的樁基荷載控制值以舊橋的單樁容許承載力10521kN為基準(zhǔn)。沉降變化如圖3所示。

圖3 沉降及沉降差變化圖

通過對(duì)圖3進(jìn)行分析可知，在10521kN的荷載作用下（舊橋樁基礎(chǔ)容許承載力），雙樁的基礎(chǔ)沉降為6.6mm，相比于單樁作用下產(chǎn)生的沉降減少了52%；三樁產(chǎn)生的基礎(chǔ)沉降為4.6mm，相比于單樁作用下產(chǎn)生的沉降減少了63.8%。

（3）恒載、容許承載力。通過對(duì)模擬后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，樁數(shù)增加，樁基承載力總體出現(xiàn)增長的趨勢(shì)，而容許承載力作用下，沉降量則表現(xiàn)為降低的趨勢(shì)。單樁作用下，沉降量為12.7mm；雙樁作用下，沉降量為14.1mm；三樁作用下，沉降量為14.7mm。雖然沉降量的數(shù)值在增大，但容許承載力也在變化，分別為10521kN、19304kN和26185kN。容許承載力增長的速度比沉降量增大的速度要快。

3.3 增加樁長

文章以A大橋原橋的樁基為依托，樁長取值間隔為3m、2m、2m、3m，通過樁長的變化來分析樁基承載力和樁基沉降的變化情況[11-12]。原樁的樁長為15m、樁徑為1.5m，現(xiàn)保持樁徑不變的情況下增加樁長，分別為18m、20m、22m和25m，對(duì)不同的樁長分別建立分析模型，通過分析來說明樁長對(duì)樁基的影響情況。

（1）極限承載力。樁頂沉降變化圖如圖4所示，由圖4可知，當(dāng)樁長增加時(shí)，相比于原橋，沉降曲線變化較為緩和。沉降值相同時(shí)，樁長增大，荷載值也增大。通過該分析可知，樁長增加，樁基承載力增大。

圖4 樁頂沉降變化圖

（2）樁基沉降變形。在10521kN的荷載作用下（舊橋樁基礎(chǔ)容許承載力），樁長為18m的樁基產(chǎn)生的沉降比15m的降低了21.3%；樁長為20m的樁基產(chǎn)生的沉降比15m的降低了31.5%；樁長為22m的樁基產(chǎn)生的沉降比15m的降低了37.8%；樁長為25m的樁基產(chǎn)生的沉降比15m的降低了45.7%。該變化說明，增加樁長可以有效地控制加寬橋的沉降差。在荷載作用下，隨著樁長的增加，樁長對(duì)沉降量的影響效果逐漸降低。該現(xiàn)象說明，只通過增大樁長來對(duì)沉降控制的措施不經(jīng)濟(jì)。

（3）恒載、容許承載力分析。當(dāng)樁長大于20m時(shí)，恒載作用下的沉降值大致保持在1.4mm，該數(shù)值變化說明，樁長大于20m時(shí)，承載能力增強(qiáng)，沉降不會(huì)增加。在實(shí)際工程中，導(dǎo)致樁基沉降的主要原因是恒載的作用，因此僅僅通過增加樁長降低沉降是不夠經(jīng)濟(jì)的。

4 結(jié)論

文章主要對(duì)橋梁樁基沉降控制技術(shù)進(jìn)行了分析，主要得出了以下結(jié)論：

（1）通過對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行分析可知，該項(xiàng)目的原橋樁基完成了沉降變形；

（2）通過對(duì)注漿法相關(guān)性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明，注漿通過改變巖土體的物理性能，提高了樁側(cè)阻力，降低了沉降變形，通過對(duì)容許承載力和恒載進(jìn)行分析可知，樁基加固不僅與注漿強(qiáng)度有關(guān)，還與施工工藝、施工方法有關(guān)，因此在施工過程中應(yīng)選擇合適的施工方法。

（3）通過對(duì)極限承載力、樁基沉降變形等指標(biāo)進(jìn)行分析表明，只通過增加樁長來降低沉降量的方式是不夠經(jīng)濟(jì)的。