河内抽砂对桥梁桩基的影响探析

郭庆超

（1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088，2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088）

1 概述

近年来，淮河部分河段采砂严重，造成了河床下陷、河岸坍塌。部分淮河大桥桥位附近地质调查资料与施工图设计文件相应内容比较，发现主桥主墩及过渡墩附近河床下沉，造成原设计桥梁桩基及承台外露，桩基持力层变少，直接影响桥梁下部结构的承载能力，危及桥梁安全。

针对此状况，本文通过对抽砂区某淮河大桥主桥下部结构进行验算，提出部分注意事项，以供类似工程参考。

2 工程概况

2.1 结构设计

桥梁上部结构为（98+180+98）m预应力混凝土部分斜拉桥，塔梁固结，单箱双室截面，桥面宽度34.5m，主墩支点梁高6.0 m，过渡墩支点梁高3.5m。主塔高33.4m。下部结构主墩为花瓶式实体墩，主墩墩身横桥向宽度为12.0m，顺桥向宽度为5.0m。主墩承台顺桥向长度为22.85m，横桥向宽度为29.1m，承台高度为6.0m。主墩承台下设置20根直径2.5m的钻孔灌注桩，摩擦桩设计。过渡墩为门式实体墩，承台顺桥向宽度为8.6m，横桥向宽度为23.6m，承台高度为3.0m。每个承台下设10根直径2.0m的钻孔灌注桩，摩擦桩设计。

2.2 地质资料

本桥位于淮河漫滩及一级阶地，不同的地貌单元地层岩性差异显著。勘察资料显示，在钻探所达深度范围内，场地地层可分为第四纪地层和前第四纪地层。第四纪地层为冲积成因，可分为全新统（Q4al）和上、中更新统（Q3al及Q2al）。其中第1～8层属全新统冲积层，第9～11层属第四系上更新统，第12～13层属中更新统，隐伏于上更新统以下。前第四纪地层为白垩系上统张桥组（K2z）砂质泥岩、泥质砂岩、含砾砂岩、砂砾岩。

经调查，采砂主体为中更新统第12层中砂，该层在河床中分布稳定，厚度在13.00～13.50m之间，厚度大，是良好的天然砂料料场。第12层上覆土层受抽砂影响扰动，处于沉降状态。

其中，主墩处受抽砂影响扰动地层总厚度约为31m，过渡墩受抽砂影响扰动地层总厚度约为40m。

3 计算模型建立

3.1 模型简介

计算模型采用MIDAS/Civil有限元分析软件建立。桥墩、承台、桩基均采用三维梁单元进行模拟，材料特性按图纸取用。其中桩-土相互作用通过土弹簧单元来进行模拟。

3.2 “m”法简介

m法则假定水平地基反力系数随深度成线性增加[6]。由文献[1][5]中知，K=Cb1h，其中，b1为桩的计算宽度；h为单元的高度。地基比例系数C值的取值可按“m”法计算，即：

式中：m——地基土比例系数，kN/m4，不同土质m值不同；（取值参见文献[2]）

Z——桩的入土深度，m。

由上可得：K=mZb1h

根据文献[2]附录P计算各墩桩基计算宽度如下：

各墩桩基计算宽度 表1

桩基计算长度表 表2

由文献[2]附录P，计算出桩基中桩的变形系数，再根据文献[3]中附录E中规定，结合各桩基冲刷深度，可计算出桩基的计算长度如表2。

主墩桩基节点弹簧支承刚度Ki 表3

模型中，桩基单元按1m长度划分，同时假定土沿各向是同性的，即认为两个方向的弹簧刚度相同[1]。

由上述公式计算可得模型中桩基节点弹簧支承刚度Ki。下表仅列出主墩桩基数据。

将上表中各地层处的换算弹簧支承刚度以弹性支撑约束的方式，建立下部结构MIDAS/CILVIL空间杆系有限元模型。

3.3 荷载组合

3.3.1 承载能力极限状态

工况1：1.2恒载+1.4汽车

工况2：1.2恒载+1.4汽车+0.6（1.4制动力+1.4温度作用）

其中，结构重要性系数r0=1.1。

3.3.2 偶然组合

工况 3：恒载 +船撞力（1000t）+0.7汽车 +（制动力+0.8温度作用）

工况3-1：恒载+顺桥向船撞力（1000t）+0.7汽车+（制动力+0.8温度作用）

工况3-2：恒载+横桥向船撞力（1000t）+0.7汽车+（制动力+0.8温度作用）

其中，结构重要性系数r0=1.0。正常使用极限状态相应荷载作用效应系数按规范进行取值[4]。桥墩设防船舶撞击力标准如表4。

主桥桥墩设防船舶撞击力标准 表4

其中，主墩1000t级船舶撞击作用点在最高通航水位以上2.0m；过渡墩船舶撞击作用点在最高通航水位以上1.0m，模型中按实际位置时行加载。

4 计算结果

4.1 桩基长度

经计算，标准组合3-1下，1#角桩单桩桩顶竖向力反力为最大值，取此值对桩基长度进行计算，得表。

桩基长度表（m） 表5

4.2 桩身强度

桩基在荷载作用下，角桩的受力最为不利。本文选取有各墩角桩受力最为不利的桩顶截面和嵌入土层截面进行强度验算，下表分别列出受力最不利角桩计算结果。

桩基顶截面承载能力极限状态验算表 表6

桩基嵌入土层截面承载能力极限状态验算表 表7

由上述计算可知，过渡墩桩基在桩顶截面验算中，荷载组合3-1时最为不利，Nu/Nd值为1.171，Mu/Md值为1.190。

主墩桩基在桩顶截面验算中，在荷载组合3-2时最为不利，Nu/Nd值为1.330，Mu/Md值为1.352。

由上述计算可知，过渡墩桩基在桩基嵌入土层截面验算中：在荷载组合3-1时最为不利，Nu/Nd值为1.220，Mu/Md 值为 1.217。

主墩桩基在嵌入土层截面验算中在荷载组合3-2时最为不利，Nu/Nd值为 1.447，Mu/Md值为1.485。

5 总结及建议

①淮河部分区域砂层厚，埋置较深，河内抽砂作业对桥梁下部结构桩基影响较大，桩基长度明显增加。

②河内抽砂作业导致桩基计算长度增加，在船撞力荷载作用下，桩基强度安全系数减小。

建议加强类似桥梁下部结构验算的同时，应注重桥区采砂作业管理。桥梁施工及运营期间，应禁止在桥位上下游一定范围内采砂，保证桥梁桩基周围土层的稳定及完整性。