孫 浩

（中鐵四局集團第三建設(shè)有限公司，天津300163）

1 工程概況

某在建公路橋梁設(shè)有一跨35 m預(yù)制簡支小箱梁跨越既有河道，其中0#臺為樁柱式橋臺，1#臺為肋板式橋臺。0#臺樁柱直徑為1.5 m，樁柱長40 m。1#臺下設(shè)雙排共6根φ1.5 m鉆孔灌注樁，樁長40 m；承臺高2 m、寬6.5 m；帽梁下設(shè)2個肋板，厚1.1 m、高6.946 m和7.076 m。預(yù)制箱梁梁端為80型伸縮縫，梁縫設(shè)計寬50 mm，梁底每端設(shè)2個高阻尼隔振橡膠支座[1]，直徑395 mm、總高167 mm、剪切模量0.8 MPa。見圖1。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)正立面

橋址區(qū)主要分布有雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂等。橋頭兩側(cè)地基采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PHC管樁，AB型）進(jìn)行處理，正方形布置，樁徑0.4 m、樁長20 m、樁距2 m。樁端位于粉土層，地基承載力容許值為150 kPa，樁側(cè)土摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為50 kPa。

因0#臺臺后管樁區(qū)域存在地下管線且未能及時遷改，為及時打通預(yù)制梁運輸?shù)耐ǖ?，提前施?#臺樁柱、橋臺并架設(shè)35 m預(yù)制箱梁，澆筑濕接縫，對臺后臨時回填形成運梁便道，待預(yù)制梁運輸完成后，反開挖0#臺臺后臨時填筑的便道，將地下管線遷改，再施工臺后剩余的12排PHC管樁。

采用錘擊法沉樁，自路基向橋臺依次進(jìn)行,在管樁端沉設(shè)至約40%（5排）時，發(fā)現(xiàn)0#臺整體明顯向大里程端偏移、傾斜，橡膠支座出現(xiàn)明顯變形；遂立即停止管樁施工，對橋臺位移原因進(jìn)行分析，研究處理方案。

2 橋臺位移情況

0#臺整體向大里程端傾斜和移位、無明顯破壞；橡膠支座受剪切出現(xiàn)明顯變形；預(yù)制箱梁梁端縫變小、局部單端頂死，預(yù)制箱梁發(fā)生整體位移，梁跨減??；箱梁未發(fā)現(xiàn)明顯破壞。見圖2。

圖2 橋臺位移情況

1）橋臺整體傾斜、位移。經(jīng)監(jiān)測和統(tǒng)計，0#臺背墻底部向跨中位移平均52 mm，背墻頂部向跨中位移平均114 mm。初步判斷橋臺背墻隨樁柱發(fā)生了整體位移。見表1。

表1 0#臺位移數(shù)據(jù)mm

2）支座剪切變形。受橋臺和預(yù)制箱梁的相對位移影響，預(yù)制箱梁梁底的高阻尼隔振橡膠支座（小里程端）底面隨橋臺位移發(fā)生向大里程端的縱橋向位移，剪切變形后呈傾斜狀的柱體，支座底面和頂面相對水平錯動距離達(dá)55 mm。多數(shù)支座橫橋向無明顯變形，僅少數(shù)局部有輕微的剪切變形現(xiàn)象。見圖3。

圖3 橡膠支座剪切變形情況

3）預(yù)制箱梁位移、梁縫變化情況。0#臺位移使得0#臺處梁縫變小，橋臺背墻局部與箱梁梁端頂緊，對預(yù)制箱梁產(chǎn)生向大里程方向的推力；加之隨橋臺一同位移的支座與梁底接觸面摩擦力的作用，使得預(yù)制箱梁整體向大里程方向位移，位移量約40 mm。1#臺梁縫設(shè)計寬50 mm，受預(yù)制箱梁位移影響后縮小為10 mm。

3 橋臺位移原因分析

3.1 施工方面

1）PHC管樁沉樁擠土效應(yīng)的影響。PHC管樁在貫入過程中會有較明顯的擠土效應(yīng)，樁周土體受到擠壓產(chǎn)生一定位移及變形。貫入后樁周土體的孔隙比減小，干重度增大，土體密實度增大[2]。管樁貫入對樁間粉土和粉砂有較強的擠密作用，內(nèi)摩擦角和壓縮模量均增大，標(biāo)貫擊數(shù)有所提高[3]。

關(guān)于沉樁擠土效應(yīng)問題，可以采用圓孔擴張理論進(jìn)行研究。打樁過程可以看作是受均勻內(nèi)壓的圓柱形空腔體的擴張問題，結(jié)合土體的理想彈塑性和工作硬化彈塑性本構(gòu)模型，可以用數(shù)值方法分析打樁對土體產(chǎn)生的影響[4～5]。為分析管樁貫入擠土效應(yīng)引起的樁周土體徑向位移規(guī)律和趨勢，采用有限元計算軟件MIDAS GTS NX模擬管樁貫入過程，采用位移貫入法[6～7]進(jìn)行模擬。

（1）基本假定。采用總應(yīng)力法進(jìn)行分析計算；管樁樁體采用線彈性模型，樁身材料選擇C80鋼筋混凝土；各層土體都是均質(zhì)的連續(xù)彈塑性體，服從Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則；樁土接觸面采用庫侖摩擦的面-面接觸方式，同時認(rèn)為樁體和周圍土體一旦接觸，法向就不再分開，切向可以相對滑動；土顆粒和孔隙水不可壓縮，體積變化是由顆粒間的孔隙被擠壓所造成的，同時考慮大變形即幾何非線性影響；不計土體自重應(yīng)力場的影響。

（2）計算參數(shù)。為簡化計算，采用二維軸對稱模型模擬管樁貫入過程，管樁、土體均采用二維軸對稱單元模擬。土體計算區(qū)域徑向取6 m（15倍樁徑）、豎向取50 m（2.5倍樁長），土體底面、右側(cè)面及對稱軸上設(shè)置對應(yīng)法向約束，土體頂面為自由表面。見表2和圖4。

表2 管樁及土體計算參數(shù)

續(xù)表2

圖4 有限元計算模型

（3）計算結(jié)果。經(jīng)模擬分析，單根管樁貫入土體過程中，土體受擠壓產(chǎn)生水平向位移，同時地表土體產(chǎn)生較大隆起。土體總體水平位移趨勢：表層土體和深層土體位移較小，中上部土體水平位移較大；樁周土體豎向位移總體表現(xiàn)為地面隆起，下部主要表現(xiàn)為土體的豎向壓縮變形。距離樁中心越近，水平位移和豎向位移越大，擠土效應(yīng)越明顯。見圖5。

圖5 管樁貫入擠土效應(yīng)土體位移

基于單根管樁貫入擠土效應(yīng)的分析，該橋梁臺后PHC管樁施工中，在多排管樁貫入擠土效應(yīng)的疊加影響下，土體產(chǎn)生較大水平位移并作用于0#臺樁基側(cè)面，樁基無法抵抗土體的水平作用力從而帶動橋臺一同發(fā)生縱橋向位移。PHC管樁貫入的擠土效應(yīng)是該在施橋梁橋臺發(fā)生位移的根本原因。

2）PHC管樁沉樁施工順序及沉樁流水施工方向的影響。對于PHC管樁等類擠土樁，沉樁前需考慮擠土或施工振動對周圍結(jié)構(gòu)物或建筑物的影響。為避免或降低擠土樁貫入土體對周邊環(huán)境造成的影響，對于該類橋梁施工，應(yīng)先進(jìn)行PHC管樁沉樁施工，待管樁全部沉設(shè)完且地層趨于穩(wěn)定后，再進(jìn)行鉆孔樁、橋臺等的施工，即使是在橋臺鉆孔樁已經(jīng)施工完成的情況下沉設(shè)管樁，也應(yīng)從橋梁側(cè)向路基側(cè)。試驗研究表明[8]，管樁貫入后其作用半徑范圍內(nèi)土體的強度和側(cè)摩阻力等提高，液化性和液化等級降低，土體的抗水平位移剛度得到一定提升。加之群樁的遮簾作用[9]，即背著所保護(hù)對象沉樁比對著保護(hù)對象沉樁產(chǎn)生的擠土效應(yīng)要小得多，可以通過改變沉樁的流水施工方向，利用先期沉入樁的遮簾作用來降低擠土效應(yīng)產(chǎn)生的影響；同時控制沉樁速率和進(jìn)度，結(jié)合施工監(jiān)測，完成剩余管樁施工。

3）橋臺與路基施工順序的影響。該類型橋臺施工應(yīng)在路基填筑完成后進(jìn)行，實際由于受管線遷改進(jìn)度及運梁通道等因素影響，先施工0#橋臺，后施工臨時便道土方且橋臺前后填土壓實質(zhì)量存在較大差異。此為該橋臺發(fā)生位移的又一誘因。

3.2 設(shè)計方面

設(shè)計0#臺為單排樁，樁徑1.5 m、樁長40 m，單排樁的抗水平荷載能力及抗傾斜能力較雙排樁明顯不足。在管樁貫入擠土效應(yīng)作用下，橋臺發(fā)生位移，其主要原因是采用了抗水平荷載及抗傾斜能力弱的單排樁設(shè)計。

4 處理方案

4.1 樁基質(zhì)量檢測

橋臺發(fā)生位移有可能對已完工的鉆孔樁造成不利影響，為驗證樁身完整性和缺陷等情況，采用旁孔透射波法[10]對樁基進(jìn)行檢測。通過激振錘敲擊樁頂面或與樁頂連結(jié)的結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生壓縮波或剪切波，波沿樁身向下傳播并透射至周圍土層，同時利用檢波器在樁邊預(yù)先鉆好的孔內(nèi)接收透射波信號，通過觀察波形等對樁身缺陷等情況進(jìn)行輔助分析[11～12]。經(jīng)檢測分析，該橋臺鉆孔樁樁身完整，無明顯缺陷。

4.2 地基處理方法

臺后剩余部分PHC管樁地基處理未施工完成，須對該剩余部分地基進(jìn)行處理。一方面，為降低已沉設(shè)PHC管樁造成的擠土效應(yīng)，可以采取設(shè)置應(yīng)力釋放孔或壓泄孔、設(shè)置防擠槽或設(shè)置袋裝砂井等措施[13]；另一方面，采用非擠土樁的工藝對剩余區(qū)域地基進(jìn)行處理。實際采用長螺旋鉆機進(jìn)行取土成孔，灌注混凝土后壓入短鋼筋籠，再施工樁帽。

4.3 橋臺處理及臺后填土方法

臺后地基處理完成且橋臺監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，再對橋臺進(jìn)行處理。經(jīng)過設(shè)計計算，在原單排鉆孔樁的小里程端相應(yīng)增設(shè)一排鉆孔樁并增設(shè)拉結(jié)系梁與橋臺背墻相連，形成較穩(wěn)定的雙排樁基礎(chǔ)。見圖6。

圖6 橋臺變更設(shè)計結(jié)構(gòu)構(gòu)造

鉆孔樁、拉結(jié)系梁施工完成后，進(jìn)行臺后路基填筑。臺后路基采用泡沫輕質(zhì)土施工，可有效控制基底及本體的變形，加快施工進(jìn)度。

4.4 支座更換

由于橡膠支座變形嚴(yán)重，需對其進(jìn)行更換，采用PLC控制多液壓缸同步頂升系統(tǒng)[14]將整幅完成濕接縫施工的預(yù)制箱梁整體頂升后再更換支座。根據(jù)箱梁上部結(jié)構(gòu)荷載及結(jié)構(gòu)實際情況，配備以下頂升設(shè)備：1臺監(jiān)控主機、1臺液壓泵站、1個分油塊、1臺控制柜、8臺50 t千斤頂及高壓油管等。該同步頂升系統(tǒng)千斤頂間的同步精度差為1.0 mm。見圖7。

圖7 橋梁同步頂升系統(tǒng)

為防止箱梁整體頂升時擠壓作用力突然釋放使箱梁發(fā)生前后“躥動”，導(dǎo)致千斤頂出現(xiàn)滑脫的危險情況，頂升時采用單端整體頂升的方案，即先采用8臺千斤頂對一端箱梁進(jìn)行頂升，臨時支墊后更換支座；再按相同方法頂升另一端和更換支座。此外，箱梁一端頂升前，對另一端采用“拉、頂”結(jié)合的措施進(jìn)行加固，即在箱梁和橋臺伸縮縫預(yù)埋鋼筋之間焊接連接鋼筋，形成拉結(jié)體系；在梁縫里塞墊方木，形成頂撐體系。在頂升另一端時，按相同方法重新施作拉頂體系后，拆除先期施作的拉頂體系，再頂升該端箱梁。

橋梁頂升及支座更換具體施工工藝流程：頂升準(zhǔn)備→試頂升→保壓→正式頂升→安裝臨時支墊→更換支座→橋面高程校核→拆除臨時支墊→落梁→拆除頂升設(shè)備→解除拉頂體系。由于橋臺墊石也發(fā)生了向跨中的位移，更換支座時應(yīng)以預(yù)制箱梁跨徑保持不變的原則來確定新的支座位置。

4.5 梁縫處理

由于橋臺位移后預(yù)制箱梁梁端梁縫變小、局部出現(xiàn)頂死，已不滿足設(shè)計和使用要求，為確保橋梁的正常通車和運營，對允許最小梁縫寬度進(jìn)行驗算

式中：ΔL為預(yù)制箱梁梁長變化量，mm；α為混凝土的線膨脹系數(shù)，取1×10-5；ΔT為溫度變化值，℃；L為預(yù)制箱梁梁長，mm。

考慮處理時溫度增加30℃，計算得預(yù)制箱梁梁長變化量為10.5 mm。

對梁縫寬度不足或梁端出現(xiàn)頂死的部位進(jìn)行處理。在滿足保護(hù)層厚度的前提下，采用繩鋸切割預(yù)制箱梁梁端或部分鑿除橋臺背墻的方法處理梁縫。

5 處理效果

按上述處理方案進(jìn)行相應(yīng)處理后，后續(xù)施工及使用過程中橋臺未發(fā)生新的位移，預(yù)制箱梁梁體伸縮自由，支座受力及形狀正常，箱梁及濕接縫正常，橋梁與路基之間過渡平順，處理效果良好。

6 建議

1）本工程先施工橋臺后進(jìn)行地基處理和填筑路基是導(dǎo)致橋臺發(fā)生位移的前提；在地基處理中，既未充分認(rèn)識到管樁沉設(shè)對周邊結(jié)構(gòu)物等可能造成的影響，又采取了錯誤的沉樁順序，從而加劇了橋臺位移。因此，應(yīng)正確認(rèn)識各工序的重要性及不同施工順序可能對結(jié)構(gòu)造成的影響

2）該單跨橋梁兩個橋臺的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)明顯不一致，單排樁設(shè)計明顯不合理，而有效的圖紙審查和設(shè)計審核可提前發(fā)現(xiàn)并糾正設(shè)計文件存在的明顯錯誤。因此，應(yīng)認(rèn)識到圖紙審查和設(shè)計審核的必要性和重要性。

3）臺前土方填筑時，前后回填壓實質(zhì)量存在較大差異，臺前填土壓實質(zhì)量差，未能有效限制橋臺縱橋向位移的發(fā)展。因此，應(yīng)認(rèn)識到工序質(zhì)量控制和現(xiàn)場管理的重要性。

4）沉樁時，未對管樁施工可能造成的風(fēng)險進(jìn)行研判，直至橋臺位移發(fā)展到支座出現(xiàn)明顯變形時，才發(fā)現(xiàn)橋臺已經(jīng)發(fā)生較大位移，因此，應(yīng)認(rèn)識到現(xiàn)場應(yīng)變能力和風(fēng)險預(yù)判能力的重要性。