某预应力混凝土箱梁桥承台及桩基础加固计算

某预应力混凝土箱梁桥承台及桩基础加固计算
马新勇;陈涛
【摘要】针对某预应力混凝土箱梁桥加固工程,采用Midas桥梁专用程序对其承台和桩基进行计算分析,结果表明通过增设桩基和承台,采用墩身外包混凝土加厚层等方法加固后,桩柱承载力、裂缝宽度均满足要求.
【期刊名称】《现代交通技术》
【年(卷),期】2015(012)003
【总页数】4页(P34-36,65)
【关键词】预应力混凝土箱梁桥;加固处置;Midas;桩基;承台
【作者】马新勇;陈涛
【作者单位】中交瑞通路桥养护科技有限公司,陕西西安710075;中交瑞通路桥养护科技有限公司,陕西西安710075
【正文语种】中文
【中图分类】U445.72
1 工程背景
某高速公路大桥，设计荷载等级为公路-Ⅰ级。

桥面全宽24.5 m，左、右幅分离，整体式路基。

桥梁上部结构形式为5×40 m装配式预应力混凝土组合箱梁；下部结构形式为双柱式墩，灌注桩基础，2#、3#墩采用墩梁固结，其余墩台为板式橡胶支座，桩基为嵌岩桩，其中2号墩墩高25.72 m，为本桥最大墩高。

桥梁结构
模型如图1所示。

图1 原桥整体模型示意图
2013-07，桥址所处地区发生6.6级地震，震后桥位所在地区连降大雨。

经检测发现，上部预制箱梁总体状况较好；大部分支座出现沿前进方向或前进方向左偏的剪切变形；下部左、右幅2#墩墩顶出现环向裂缝，且倾斜变位超出规定限值［1］，桩间系梁及桩顶部分外露，桩顶裸露部分出现环向裂缝。

2 病害成因及加固措施
2.1 病害成因分析
本桥横跨V形沟，桥梁建成后，为恢复当地的耕地，在桥梁的第1、2跨的桥下及两侧进行了填土，填土最大高度约10 m，沿纵桥向长约50 m，沿横桥向长约
150 m。

土体受地震影响发生松动，震后又连续降雨，处于V形沟边坡上的强风
化泥岩在雨水的浸润下软化，于强风化与弱风化泥岩交界面或强风化与填土交界面形成滑动面，导致土体出现与桥梁路线前进左偏呈大致30°~40°的滑移。

土体滑
坡位置及方向如图2所示。

2#桥墩(双柱式桥墩)墩高约25 m，盖梁和上部箱梁固结，桩基为嵌岩桩，嵌入弱风化泥岩约5 m，在斜向滑移体的土压力作用下，墩身发生变形。

由于土压力的
横桥向分力相对较小，桥墩本身横桥向刚度相对较大，故横桥向变位较小；滑移体土压力的纵桥向分力相对较大，墩身纵桥向刚度相对较小，故在墩身下部土压力作用位置附近产生较大顺桥向的变形，同时墩身上部受梁体约束，产生反方向较小变形，形成 S形的变形，如图3所示。

图2 滑坡位置及方向示意图
图3 左幅桥2#墩受滑坡作用后变形示意图
2.2 加固设计思路
针对病害，为恢复桥梁使用功能，满足原设计荷载的要求，采用以下加固思路：
（1）桥墩墩身和基桩开裂影响其刚度和承载能力，墩柱倾斜变位影响下部结构稳定性，需进行必要的加固处理；（2）考虑基桩和墩柱受损严重，通过增设桩基和承台，形成群桩基础并保证荷载向新桩的传递；（3）通过墩身外包30 cm混凝土加厚层及增设柱中横系梁的方法提高桥墩整体刚度、强度和稳定性。

加固措施及处置如图4所示，有限元模型如图5所示。

3 加固计算有限元模型分析
基础地面埋置于局部冲刷线以下深度h，当αh>2.5时，按弹性基础计算，需要考虑基础本身的变形影响；当αh≤2.5时，按刚性基础计算，不考虑基础本身变形的影响［2］。

关于公路桥梁桩基在横向荷载作用下桩身内力与位移的计算，应用较广的为m法［3］。

本例桥位地质情况为：表面覆盖1~9 m的黄土，中间层为
0.9~5 m强风化泥岩，下卧层为弱风化泥岩，按弹性桩基础m法计算。

图4 2#桥墩加固示意图及有限元加固计算模型
图5 有限元模型
（1）弹性基础桩的计算宽度b1
本项目加固后增补的新桩直径d=1 m，b1采用式（1）进行计算［4］。

对单排桩或L1<0.6h1的多排桩，采用式（2）计算
式中：b1为桩的计算宽度，b1≤2d；D为桩径或者垂直于水平外力作用方向桩的宽度；kf为桩形状换算系数，圆截面kf =0.9；k为平行于水平力作用方向的桩间相互影响系数；L1为平行于水平力方向的桩间净距；h1为地面或局部冲刷线以下桩的计算深度；b2为与平行于水平力作用方向的排桩数量n有关的系数，n=2时，b2=0.5。

（2）土的地基比例系数m
对于弹性桩，采用Midas中节点弹性支撑模拟，弹簧刚度的计算可以参考文献［2］附录P提供的方法。

首先根据地质情况和计算精度要求将桩分成若干段，然后确
定每段桩的计算宽度b1、地基水平抗力系数CZ、该段桩的长度L，上述3个数的乘积为弹簧的水平刚度，一般水平X、Y方向的刚度相同。

桩底的弹簧刚度可由桩的截面积和地基竖向抗力系数的乘积得到。

非岩石类土的比例系数m见表1。

当hm深度内存在2层不同的土时（深度记为
h1、h2，对应的m值为m1、m2），采用式（3）计算m值：
当hm深度内存在3层不同的土时（深度记为h1、h2、h3，对应的m值为m1、m2、m3），采用式（4）计算m值：
岩石地基的地基系数c0不随岩层面的埋置深度而变，其值按表2采用。

表1 非岩石类土的比例系数m值表序号土的分类 m/（103kN·m-4）1流塑性黏土IL>1.0，软塑性黏土0.75＜IL≤1.0，淤泥 3~5 2 可塑性黏土0.25＜IL≤0.75，粉砂，稍密粉土 5~10 3 硬塑性黏土0＜IL≤0.25，细砂，中砂，中密粉土 10~20 4 坚硬,半坚硬黏性土IL≤0，粗砂，密实粉土20~30 5 砾砂，角砾，圆砾，碎石，卵石 30~80 6 密实卵石夹粗砂，密实漂、卵石 80~120
表2 岩石地基系数c0值表注：Raj为岩石的单轴极限抗压强度；c0为中间值时,
采用内插法求得。

编号 Raj/kPa c0 /（kN·m-3）1 1 000 300 000 2≥25 000 15 000 000
4 加固前、后计算对比
柱下承台及桩基础加固前、后计算荷载工况组合如表3所示。

柱下承台及桩基础
加固前、后计算结果如表4和表5所示。

表3 柱下承台及桩基础加固前、后荷载工况组合注：（1）加固后恒载包括桥墩加
固新增恒载；（2）因现场滑移土体部分卸载，土体对基础的水平推力应扣除卸载的部分土体。

工况组合恒载/加固后恒载汽车荷载土压力/部分卸载后土压力汽
车制动力温度荷载①√√√②③④√√√√√√√√√√ √√√
表4 加固前桥墩、桩基承载力计算结果注：（1）Z1为承载能力折减系数；（2）Nj、Mj分别为最大弯矩作用效应值和最大轴向力作用效应值；（3）Nd、Md为
最大弯矩抗力值和最大轴向抗力值；（4）e0值已计入偏心距增大系数。

荷载工况Nj/kN Mj/（kN·m）Nd/kN Md/（kN·m）e0/m Z1 Z1Md/Mj 裂缝宽度/mm
墩身（M最大）7 621.3 10 305.3 4 616.6 6 242.5 1.60 0.8 0.48 0.388墩身（N 最大）9 885.4 9 853.9 6 362.0 6 341.7 1.24 0.8 0.51 0.350桩基（M最大）8 508.5 26 720.5 2 287.5 7 183.8 3.23 0.8 0.22 1.054桩基（N最大）12 208.3 1 314.9 39 755.3 4 281.8 0.14 0.8 2.61 0.045
表5 加固后桥墩、桩基承载力计算结果项目荷载工况 Nj/kN Mj/（kN·m）
Nd/kN Md/（kN·m）e0 Z1 Z1Md/Mj 裂缝宽度/mm施工最不利墩身桩基8 062.1 5 556.5 11 597.1 7 992.8 0.936 0.8 1.15 10 703.8 5 832.0 18 442.9 10 048.8 0.585 0.8 1.38加固后承载力墩身（M最大）10 808.9 5 350.4 28 946.8 14 328.8 0.640 0.8 1.25 0.045墩身（N最大）11 643.6 2 718.1 44 340.0 10 350.9 0.322 0.8 2.25 0.045老桩基（M最大）11 663.3 5 670.4 20 196.6 9 819.1 0.523 0.8 3.25 0.087老桩基（N最大）15 804.5 331.8 39 031.5 819.4
0.031 0.8 4.25 0.045新桩基（M最大） 4 675.0 8 168.4 5 106.1 8 921.7 1.789
1.0 5.25 0.177新桩基（N最大） 6 367.7 235.8 44 514.5 1 648.7 0.047 1.0
6.25 0.045
由加固前后对比计算结果（表6）可以看出，加固前桩柱承载力、裂缝宽度均不满足规范要求，加固后桩柱承载力、裂缝宽度均满足规范要求。

表6 加固前、后桩基竖向承载力对比项目桩基轴向设计荷载/kN单桩轴向受压容
许承载力/kN 安全系数老桩 13 163.2 16 825.1 1.28新桩 4 787.9 16 825.1 3.51 5 结论
（1）通过加固提高了受损桥墩桩基竖向及桩身承载能力；恢复了桥墩垂直度，提高受损墩身的承载力；增强了受损桥墩整体刚度及稳定性；提高了耐久性，恢复了受损构件的使用功能。

（2）采用Midas桥梁专用计算程序可以通过施工阶段联合截面直观模拟加固后桥墩外包混凝土的受力；通过节点弹性支撑单元对桩基础进行模拟分析，可以分阶段考虑桩基础的受力情况。

参考文献
［1］JTG F80/1—2004公路工程质量检验评定标准［S］.
［2］JTG D63/1—2007公路桥涵地基与基础设计规范［S］.
［3］凌治平，易经武.基础工程(公路与城市道路、桥梁工程专业用）［M］.北京：人民交通出版社，2003.
［4］李连生.关于刚性基础和弹性基础判别问题的探讨［J］.石家庄铁路职业技术
学院学报，2005，9（4）：3.。