杨 智

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031）

1 工程概况

成都天府新区正公路某大桥，为跨越府河大桥，桥长287.6 m，孔跨布置为：2×30 m+2×50 m+4×30 m。桥梁宽度为19.5 m+23 m+19.5 m=62 m，采用三幅分修，每幅之间设2cm纵缝，并设置弹性伸缩缝。上部结构采用预应力简支T梁，下部采用三柱式桥墩和重力式桥台，基础为桩基础。桩基嵌入中风化砂质泥岩层。墩柱采用C35混凝土，桩基采用C30混凝土。30 m跨墩柱直径1.4 m，桩基直径1.6 m；50 m跨墩柱直径2.0 m，桩基直径2.2 m。桩基采用钻孔灌注施工。

该桥所在的府河两岸为正兴镇范围，原为自然宽浅式“U”型河道，河道较顺直，两岸均为自然河岸。桥轴线与河道纵轴正交。该道路为城市主干路；荷载等级为城-A级。桥墩横断面见图1所示。

近期由于河道及沿岸景观改造，挖掘河床导致该桥5#～7#桥墩桩基部分外露，并发现部分外露桩基有倾斜、柱桩错位的现象。为此，依据现场实测基础数据对部分倾斜超限或柱桩错位的桩基开挖前后进行了受力分析和计算，包括开挖前后单桩轴向受压承载力的验算，为病害处治措施提供依据，为今后天府新区类似情况桩基的设计及后续问题的解决提供一些参考和借鉴。

2 桩基病害原因分析

从开挖后所见现场并结合实测情况可知，部分桩基倾斜度已超过规范规定值1%，另外还有一桩基出现柱桩错位的现象。经调查分析，出现以上情况的原因主要是施工造成的。由于桩位偏差错误导致桩基倾斜和错位现象。

3 计算内容及要点

根据该桥的地勘情况、结构设计和桥墩桩基的结构特点，采用MIDAS CIVIL建立有限元模型，对5#桥墩、右边幅7#桥墩桩基按照设计荷载等级（城-A）进行开挖前后受力分析和计算，并对河床开挖前后的单桩轴向受压承载力进行验算。下面以开挖后倾斜度最大、桩基外露高度也较大的右边幅5-1#桩基为例介绍相关计算要点。

3.1 计算模型

计算的荷载主要分为恒载和活载。恒载包括主梁、桥面铺装、水管线、人行道、栏杆和绿化带等，恒载作为静力荷载作用在桥上，然后根据杠杆法算得每片T梁支座所分得的荷载值，并以节点荷载的形式作用在盖梁上支座的相应位置。汽车和人群活载根据在支座处的横向布置根据杠杆法的影响线值进行最不利布置，然后求得每片T梁支座所分得的荷载值，同样以节点荷载的形式作用在盖梁上支座的相应位置。制动力根据支座与桥墩的抗推刚度集成情况来分配和传递制动力，也以节点荷载的形式作用在盖梁上支座的相应位置。

利用MIDAS CIVIL建立有限元模型，模型采用梁单元进行模拟，桩土作用采用“m”法进行模拟。

右边幅5#墩开挖前、后桩基模型见图2所示。

3.2 计算参数

所计算桩基的上部结构采用30 m预应力混凝土简支T梁，左、右边幅横向由9片T梁组成，中幅横向由10片T梁组成，桥面铺装为10 cm厚混凝土+10 cm厚沥青混凝土；下部结构采用三柱式圆柱桥墩、桩基础，以中风化砂质泥岩作为持力层。桥墩及桩基基本信息见表1所列。

图1 桥墩横断面图

图2 右边幅5#墩开挖前、后有限元模型示意图

表1 桥墩及桩基基本信息表（单位：m）

3.3 最不利轴力Nmax和最不利弯矩Mmax的确定和计算

根据桥墩偏心受压的特点，上部结构活载作用形式可分为最不利轴力、最不利弯矩两种受力情况。根据原设计图纸和《城市桥梁设计规范》（CJJ 11-20111）及《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）规定，可得左边幅车道集中荷载标准值，均布力标准值，并计算得设计人群荷载。

3.3.1 右边幅5-1#桩基最不利轴力Nmax的计算

考虑该桥墩纵向相邻跨车道荷载对称加载，横向按最不利情况根据设计车道数布置车辆荷载的车轮位置，通过杠杆原理求得各梁的横向分布系数，从而计算出各支反力作为最不利轴力活载加载于盖梁上，而恒载按本文3.1节所述方法加载于盖梁上，可计算得出该桩基最大轴力下的桩底反力。

3.3.2 右边幅5-1#桩基最不利弯矩Mmax的计算

3.3.2.1 恒、活载的计算

考虑该桥墩纵向相邻单跨车道荷载不对称加载，横向按最不利情况根据设计车道数布置车辆荷载的车轮位置，通过杠杆原理求得各梁的横向分布系数，从而计算出各支反力作为最不利弯矩活载加载于盖梁上，而恒载同样按3.1节所述方法加载于盖梁上。

3.3.2.2 制动力的计算

制动力根据《城市桥梁设计规范》（CJJ 11-20111）及《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）规定，对于桥墩来说制动力的着力点在支座处，按最大轴力情况来计算汽车荷载的制动力。根据支座与桥墩的抗推刚度的集成情况来分配和传递制动力。分别求得左边幅5#墩在河床开挖前后，不同车道下每个支座所分得的纵向水平制动力。

通过以上荷载的加载，从而计算出右边幅5-1#桩基最不利弯矩Mmax。

4 桩基在河床开挖前后的计算结果及分析比较

4.1 单桩轴向受压承载力验算

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）5.5.3条规定及该桥地质资料，对右边幅5-1#桩基开挖前后进行单桩轴向受压承载力的验算。

地质资料显示，该桩基在开挖前后埋置深度内各土层分布情况见表2所列。

表2 5-1#桩基开挖前后埋置深度内土质分布情况一览表（单位：m）

考虑竖向荷载效应，验算结果见表3所列。

表3 5-1#桩基开挖前后单桩轴向受压承载力验算结果比较一览表

可见由于河床开挖，造成桩基上部土层的减少，开挖后单桩轴向受压承载力容许值也相应降低。但该桩为端承桩，桩基大部分已嵌入中风化岩层中，开挖部分的土层桩周摩阻力标准值相对较小，因此对单桩轴向受压承载力容许值影响较小。

4.2 桩身强度验算

根据右边幅5-1#桩基的受力最不利情况可得在河床开挖前后最大弯矩的控制截面，见图3、图4所示。

图3 开挖前最大弯矩的控制截面示意图

图4 开挖后最大弯矩的控制截面示意图

由此可见，该桩基在开挖前后最大弯矩的控制截面分别位于开挖前原地面线下3.5 m、开挖后地面线下1.0 m，开挖后控制截面出现的位置较开挖前相对于相应地面下的距离更小。综合分析可知，桩基最大弯矩控制截面出现在地面线下1～2倍桩径左右的位置，而各土层地基水平向抗力系数的比例系数m是影响其位置的重要因素。非岩石地基的抗力系数随埋深成比例增大，岩石地基抗力系数不随岩层埋深变化。该桩基在开挖后大部分已进入中风化基岩，周围基岩对桩基起到较大的约束作用，因而最大弯矩的控制截面离地面线位置相对较小。

在基本组合下，考虑偏心增大效应，右边幅5-1#桩基在开挖前后控制截面承载力验算结果见表4所列。

表4 5-1#桩基基本组合作用下开挖前后控制截面承载力验算结果一览表

4.3 桩身裂缝宽度验算

按设计荷载在正常使用极限状态短期效应组合下，开挖前后控制截面最大裂缝宽度验算结果见表5所列。

表5 5-1#桩基短期效应组合作用下开挖前后控制截面最大裂缝验算结果一览表（单位：mm）

由此可见，该桩基在开挖前控制截面最大弯矩较小，桩身未出现裂缝；河床开挖后，桩基倾斜产生附加弯矩，因而控制截面弯矩较大，但最大裂缝宽度仍满足允许裂缝宽度的要求。

5 结论与意见建议

本文结合现场实测资料及地质资料，对某大桥桩基在河床开挖前后受力情况进行了分析和比较，通过此实例得出以下计算的结论及后续措施处理的意见、建议。

5.1 计算结论

（1）对于类似桩基在开挖前后的变化，应对桩基的单桩轴向受压承载力、桩身强度和裂缝宽度进行验算，以明确桩基的受力性能是否满足规范要求。

（2）开挖后裸露出的桩基应对其倾斜度等进行实测，计算时应根据实际情况考虑桩基倾斜而产生的附加弯矩，计算得出最大弯矩的控制截面，再按规范要求考虑偏心距增大系数η，从而验算桩身的强度及裂缝宽度是否满足规范要求。

（3）桩基最大弯矩处的控制截面的位置随开挖前后土层的改变而变化，但出现位置根据计算结果可判断大概在相对地面线以下1～2倍桩径处，各土层地基水平向抗力系数的比例系数m是影响其位置的重要因素。此特性为桩身强度的验算提供重要依据。

5.2 后续措施处理的意见及建议

（1）对于类似由于河床改造开挖造成对柱式桥墩桩基条件的改变，应现场实测桩基既有数据并监测其变化。对于超过规范上限的情况，建议组织专业桥梁病害检测单位进行检测、处理。

（2）对于开挖后高度大于7 m的桥墩，应根据相关规范要求可增设横系梁。除满足公路桥梁抗震规范外，也有利于增加开挖后各桩基间的联系。

（3）根据既有河床开挖情况等基础资料验算所得结果可看出，部分桩基的单桩轴向受压承载力富裕度较小，建议应对河床底硬化铺砌，保证防水后不再对桥墩有冲刷，从而避免对桩基承载力的影响，确保桥梁结构的安全性。

（4）根据目前既有状况，应对开挖后各柱桩倾斜及错位等病害进行处治。实施方案以确保不影响结构安全为前提，结合河道生态带景观要求一并考虑，使其与自然环境相协调和统一。

该工程作为成都天府新区正公路某大桥实例，具有一定的特殊性和较强的实际意义。通过现场实际情况，结合地质及实测资料，对桩基在河床开挖前后进行受力分析和计算并提出对出现病害处理的建议，为今后天府新区类似情况桩基的设计、施工及后续问题的解决提供一些参考和借鉴。