基础沉降对桥梁结构的影响及沉降控制

张红波

（中铁七局集团 郑州工程有限公司，河南 郑州450000）

0 引言

桥梁基础分为桩基础和沉井基础，其中桩基础具有较好的承载能力，结构稳定性好，是桥梁建设中应用最多的基础形式。比较常见的桩基础形式有预制管桩、冲孔桩和人工挖孔桩等，由于桩基础的承载力和稳定性较好，采用桩基础的桥梁结构的总体沉降比较容易控制，但容易生局部桩身稳定性不足造成的局部不均匀沉降，影响整个桥梁结构的正常使用。

沉井基础能够适应较厚的覆盖土层，带动周围大范围的土体共同承担上部荷载，但其在使用阶段能够满足沉降要求，还需要进一步的研究。

1 桥梁基础沉降对桥梁结构的影响

1.1 计算模型的建立

以某桥梁的加宽处理为例，在桥梁的两侧加设T型梁，在拓宽部分和原来部分的连接方式为固定连接，将两者作为一个整体共同的参与受力，中间不设置沉降缝和伸缩缝，这样就必须考虑新旧地基不均匀沉降对桥梁结构的影响，这里假设拓宽后沉降差为5mm，从而对桥梁上部结构进行力学分析。计算简图中将桥梁下部结构看做可以转动的铰接点，这是因为跨径方向有足够的横隔板，在行车道板上也设置了加强钢筋作为连接保证，所以翼缘板的连接是刚性的，T型梁在使用和施工过程中又会遇到一定的摩阻力，横向受到牵制作用，所以翼缘的末端看作为水平拉杆，不考虑竖向约束的影响。计算简图如图1：

图1计算简图

1.2 结构力学分析

根据经典结构力学可以将上图结构作为一个两次超静定来计算，在多余未知力和支座位移的共同作用下，根据力学的位移互等定理建立方程如下

做出两个未知力X1和X2的单位弯矩图，根据图乘法进行计算。本例中沉降为5mm，梁的高度为1.225m，主梁间距为1.7m，混凝土弹性模量为3e10Pa，将数据代入到经典方程中可以得到未知力X1和X2的数值，然后根据公式 M＝M1X1+M2X2计算出基础沉降下桥梁结构的弯矩图，如图2所示：

图2 桥梁结构弯矩图

根据计算结果可以知道当桥梁不均匀沉降差为5mm时，翼缘板会产生47.9kN·M的弯矩，将结构自重和活荷载组合在一起，就能得到行车道板上的最大负弯矩。

1.3 数值分析确定桥梁结构中配筋情况

通过数值分析软件对结构进行验算分析，通过计算结果可知，裂缝宽度符合规范要求，说明经过加固处理后，配筋情况能够满足桥梁结构的正常使用，确定截面配筋情况如下表所示：

表1 矩形截面配筋数据

表2 矩形截面配筋计算表

2 桥梁基础沉降控制方法分析

减少桥梁基础沉降的方法一般是进行地基加固，桥梁基础建设中经常遇到淤泥和淤泥质土、充填土、杂填土等，这些都需要进行地基的加固处理，从而提高土体的压缩性和承载力，减少地基不均匀沉降，常见的地基处理加固方法有换土垫层法、挤密压实法、排水固结法、搅拌桩法以及灌浆胶结法等。

2.1 换土垫层法

这种方式是将基础下面承载能力不符合要求的土体取出，然后换填为压缩性较好的混凝土，能够处理中小桥的地基沉降问题。换填土能够有效提高地基承载能力，将软弱土层调整到下卧层位置，减少软弱土的附加应力，从而随着深度的增加提高容许承载力。换填的混凝土能够显著的减少基础沉降量，并且由于混凝土挤压下部软弱土，能够使得软弱土中的水分有效排出，加快土体的强度增加速度。

换填混凝土要具有足够的厚度和宽度，满足设计和经济要求，以抵抗土体的剪切和挤压变形，换填厚度可以通过工程实用简化计算法或地基变形计算确定，换填宽度的计算根据当地的经验值确定。

2.2 桥梁桩基础的沉降控制

桩基础的类型不同，施工工艺和沉降控制的方式也不同，这里重点介绍几种常见的桩基础沉降控制方法。

混凝土预制桩，预制桩的强度等级要满足设计等级要求，起吊、运输和沉桩混凝土强度要达到一定的要求，检验钢筋骨架和偏差要在一定的范围内，保持桩身表面平整、密实。打桩过程中，桩的标高和贯入度、节点处理等要符合要求，桩的倾斜偏差不能大于倾斜角正切值的15%。

混凝土灌注桩采用的混凝土和材料要符合规范要求，保证成孔质量，实际浇筑时混凝土用量要稍大于计算体积，浇筑完成后桩顶标高、钢筋骨架标高以及浮浆的处理都要符合施工规范。挖孔桩的中心线和桩中心线要重合，轴线偏差控制在20mm以内，护壁混凝土和护壁直径要符合要求。钢筋骨架的搭接、焊接接头长度和错开距离要付设计规范要求，焊点要严密、坚固，不能出现过多的漏焊点。

钢管桩要具有出厂合格证和试验报告，在地下水侵蚀地区使用时要做好防腐处理，接头处的焊缝误差要符合要求，按照接头总数的20%进行超声波检查，探伤检查的不能少于3个接头。

2.3 桥梁沉井基础沉降控制

沉井工程中的钢筋、混凝土、模板、砌砖等要符合相关施工规范的要求，保证混凝土的抗压强度和抗渗等级符合设计规定，下放到设计高度时检查基底情况，确认无误后进行封底。当沉井出现裂缝时要及时查明原因，进行处理，保证沉井的外壁无杂物，砖石砌筑的沉井要在外壁上涂抹一层水泥砂浆。

3 结论

桥梁基础沉降会对桥梁结构产生很大的影响，短时间内不是很明显，但经过一定的过程后会在上部结构中产生较大附加弯矩和附加应力，从而影响桥梁的正常使用，严重时发生垮塌，基础沉降是桥梁损坏的重要原因之一。

通过对基础产生沉降的桥梁结构进行加固处理，并根据计算确定桥梁弯矩和受力情况，在上部结构中增加加固钢筋，能够有效的处理结构变形问题，阻止桥梁出现过大裂缝，延长桥梁的使用寿命和耐久性。

基础沉降的处理方法可以采用换填的方式将软土取走，改换为刚性基础，采用桩基础时要严格确保设计和施工都满足相应规范，形成良好的复合地基，加固地基，从而减少基础的沉降。沉井基础能够代替原有地基参与受力，对处理基础沉降也具有较好的效果，但施工相对麻烦。

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