基于填土堆载引起桥墩偏位的专项检测和仿真计算分析

时间：2024-07-06

程其瑜，邓泽城

(1.江西省高速公路投资集团有限责任公司养护技术研究中心，江西南昌 330025；2.江西省高速公路投资集团有限责任公司)

1 工程实例

1.1 桥梁概况

某高速公路主线桥，设计荷载为公路-Ⅰ级。上部结构为15孔25 m预应力混凝土连续小箱梁，分3联、分左右幅，单幅每孔横向布置4片小箱梁；下部结构为双柱式桥墩、肋式桥台、钻孔桩基础。桥址区地层主要为第四系全新冲洪积层及残坡积碎屑堆积层，岩性主要为中粗粒花岗闪长岩。

1.2 桥梁病害简述

桥梁例行检查时，发现第3联第11～14跨存在桥下填土，经检查发现以下问题：

(1) 某建设工程施工时，在高速公路桥梁第11～14跨范围桥下填土，填方高度4～12 m不等，见图1。

图1 某高速公路桥梁第3联桥下大体积填土(单位：m)

(2) 桥面伸缩缝。15#台顶伸缩缝(D80型)型钢间隙：左幅宽度为7.5 cm，右幅宽度为8.5 cm；10#墩顶伸缩缝(D160型)型钢间隙：左幅宽度为3.9 cm，右幅宽度为3.7 cm。可以看出：15#台顶伸缩缝间隙超宽，10#墩顶伸缩缝间隙过窄，接近处于抵死状态。

(3) 墩台支座。第15跨主梁梁端(及梁底支座上钢板)相对于15#台支座(四氟滑板支座)往小里程方向产生了5～7 cm的滑移；第11跨主梁梁端(及梁底支座上钢板)相对于10#墩支座(四氟滑板支座)往小里程方向产生了5～8 cm的滑移，上钢板部分滑出支座范围；其余11#～14#墩顶支座(普通橡胶支座)不同程度地往小里程方向产生了剪切变形。

通过上述检查，初步推测可能存在由于桥下填土引起墩柱及上部结构主梁偏移问题，位移方向为往小里程方向。

2 外业专项检测

发现上述问题后，首先协调相关单位制定方案，对称分层清除填土至原地面。随后组织专业单位对该桥第3联(第11～15跨)的上、下部结构进行专项检测，以评估对桥梁结构的影响。主要包括：各结构构件的裂缝检测、墩身竖直度测量、墩身回弹强度检测、墩身尺寸及保护层厚度检测等。

2.1 各结构构件的裂缝检测

(1) 桩基及系梁裂缝检测。由于现场桩基和地系梁均埋于地面以下，基于安全考虑，此次只选取典型的11#墩1#桩进行了开挖。经检查，11#墩1#桩顶及以下2～3 m范围和地系梁未发现明显裂缝。

(2) 主梁及墩身裂缝检测。对第3联左右幅小箱梁和桥墩通过人工逐一进行外观检查，除发现一些混凝土剥落、细微的温度收缩裂缝外，均未见明显的由于土压力引起的受力裂缝。

2.2 墩身竖直度测量

采用全站仪进行测量，假设桥墩底面或地面线为参考不动点，纵向以墩顶偏向大桩号方向为正，横向以墩顶偏向右幅为正。检测结果见表1。

表1 第3联桥墩墩顶偏位检测结果

从表1可看出：左右幅纵桥向11#～14#墩顶均往小桩号方向偏位，具有一定的规律性。纵桥向最大墩顶偏位(往小桩号方向)：左幅12#墩顶偏位为73.9 mm，右幅11#墩顶偏位为73.8 mm。

2.3 墩身回弹强度检测

经现场回弹检测，第3联左右幅10#～14#墩柱混凝土强度推定值最小为54.4 MPa，设计混凝土强度等级为C30，满足规范和设计要求。

2.4 墩身尺寸及保护层厚度检测

(1) 墩身尺寸检测结果：左、右幅10#～14#桥墩实测直径与设计尺寸偏差范围为1～3 mm。

(2) 墩身钢筋保护层厚度检测结果：左、右幅桥墩实测的钢筋保护层平均厚度范围为41～51 mm，竖向主筋保护层设计厚度为46.5 mm。

由此可看出：墩身尺寸及保护层厚度基本满足规范和设计要求。

3 数值仿真分析

3.1 计算模型

(1) 模拟工况。利用Midas有限元软件对结构进行模拟计算分析，主要分为3个计算工况：① 工况1：最高桥下填土状态恒载工况；② 工况2：清除桥下填土状态恒载工况；③ 工况3：清除桥下填土状态荷载组合工况。

(2) 荷载分析。土压力荷载作用范围为地表至基层。支座摩擦力以集中力的形式施加于盖梁顶面支座垫石位置，其作用方向可根据支座与主梁偏位判断，大小根据支座反力和摩擦力系数等综合确定。采用“m”法模拟桩与土体、基岩相互作用。主要荷载分析示意图见图2。

图2 主要荷载分析示意图

(3) 主要参数。此次桥下填土主要为黏土，原地面土主要为亚黏土，基岩主要为花岗闪长岩。根据现行相关规范，黏土的m取5 000 kN/m4，基岩的m取300 000 kN/m4，黏土的内摩擦角φ取12°；板式橡胶支座与钢板接触时，摩擦系数取0.2；聚四氟乙烯板与不锈钢板接触(加硅脂)时，摩擦系数取0.06；钢筋、混凝土的强度根据JTG D62-2004《公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范》选取。

(4) 建立模型。模型中所有单元均为梁单元。桩基底部采用一般支撑模拟，岩层顶面至桩基底部范围内的桩基侧面土弹簧刚度采用节点弹性支撑模拟(每间隔0.5 m设置一个)，其刚度根据“m”法计算得到。桥梁整体模型示意图见图3。

图3 桥梁整体模型示意图(右幅)

3.2 计算结果

(1) 最高桥下填土状态恒载工况

此荷载工况下，土体对墩柱及桩基产生纵向土压力，荷载作用范围为弃土顶面至基层，墩柱受土压力作用后在弃土顶面产生较大的变形，导致土体顶面附近土弹簧的m值减小甚至消失，因此墩柱施加土弹簧的起始位置只能通过计算确定，直至计算结果与墩顶偏位及检测结果吻合较好为止。工况1的计算结果见表2。

表2 最高桥下填土状态恒载工况(工况1)计算结果

由表2可知：在工况1状态下，桩柱受拉侧钢筋应力最大值为181.2 MPa(小于设计值280 MPa)，桩柱承压侧混凝土压应力最大值为9.3 MPa(小于设计值11.5 MPa)。所以，第3联第11#～14#桥墩及桩基受力性能满足规范要求。但与原设计相比，桩基和墩身在此阶段产生了裂缝，且部分桩基混凝土裂缝超规范限值，桩柱承压侧混凝土压应力也有较大增加，对桥梁的耐久性有不利影响。

(2) 清除桥下填土状态恒载工况

土体卸载后，墩柱及桩基的变形有恢复至初始状态的趋势，此阶段剩余土体的土弹簧作用范围由土体顶面至基岩面。工况2的计算结果见表3。

表3 清除桥下填土状态恒载工况(工况2)计算结果

由表3可知：在工况2清除桥下填土恒载状态下，桩柱受拉侧钢筋应力最大值为113.9 MPa，比工况1最高填土状态时的181.2 MPa减少了37.1%；桩柱承压侧混凝土压应力最大值为7.9 MPa，比工况1最高填土状态时的9.3 MPa减少了15.1%；受拉侧混凝土裂缝最大宽度为0.155 mm，比工况1最高填土状态时的0.221 mm减少了29.9%。所以，清除桥下填土后，桩柱的受力状态有了较大的改善。

(3) 清除桥下填土状态荷载组合工况

采用清除桥下填土状态恒载工况的最终计算模型，考虑汽车活载、汽车制动力、温度等荷载效应后，对墩柱现有偏位状态进行结构计算和分析，计算结果见表4。

表4 清除桥下填土状态荷载组合工况(工况3)计算结果

由表4可知：在工况3荷载组合状态下，第3联第11#～14#桩柱在现有墩顶偏位下的结构受力验算均能满足规范要求。与原设计相比，大部分桩基和墩身均产生了裂缝，但远未达到断桩等严重程度；桩柱承压侧混凝土压应力也有较大增加，对桥梁的耐久性有不利影响。