某在施桥梁桩柱式桥台位移原因及处理措施

孙 浩

（中铁四局集团第三建设有限公司，天津300163）

1 工程概况

某在建公路桥梁设有一跨35 m预制简支小箱梁跨越既有河道，其中0#台为桩柱式桥台，1#台为肋板式桥台。0#台桩柱直径为1.5 m，桩柱长40 m。1#台下设双排共6根φ1.5 m钻孔灌注桩，桩长40 m；承台高2 m、宽6.5 m；帽梁下设2个肋板，厚1.1 m、高6.946 m和7.076 m。预制箱梁梁端为80型伸缩缝，梁缝设计宽50 mm，梁底每端设2个高阻尼隔振橡胶支座[1]，直径395 mm、总高167 mm、剪切模量0.8 MPa。见图1。

图1 桥梁结构正立面

桥址区主要分布有杂填土、粉质黏土、粉土、粉砂等。桥头两侧地基采用预应力混凝土管桩（PHC管桩，AB型）进行处理，正方形布置，桩径0.4 m、桩长20 m、桩距2 m。桩端位于粉土层，地基承载力容许值为150 kPa，桩侧土摩阻力标准值为50 kPa。

因0#台台后管桩区域存在地下管线且未能及时迁改，为及时打通预制梁运输的通道，提前施作0#台桩柱、桥台并架设35 m预制箱梁，浇筑湿接缝，对台后临时回填形成运梁便道，待预制梁运输完成后，反开挖0#台台后临时填筑的便道，将地下管线迁改，再施工台后剩余的12排PHC管桩。

采用锤击法沉桩，自路基向桥台依次进行,在管桩端沉设至约40%（5排）时，发现0#台整体明显向大里程端偏移、倾斜，橡胶支座出现明显变形；遂立即停止管桩施工，对桥台位移原因进行分析，研究处理方案。

2 桥台位移情况

0#台整体向大里程端倾斜和移位、无明显破坏；橡胶支座受剪切出现明显变形；预制箱梁梁端缝变小、局部单端顶死，预制箱梁发生整体位移，梁跨减小；箱梁未发现明显破坏。见图2。

图2 桥台位移情况

1）桥台整体倾斜、位移。经监测和统计，0#台背墙底部向跨中位移平均52 mm，背墙顶部向跨中位移平均114 mm。初步判断桥台背墙随桩柱发生了整体位移。见表1。

表1 0#台位移数据mm

2）支座剪切变形。受桥台和预制箱梁的相对位移影响，预制箱梁梁底的高阻尼隔振橡胶支座（小里程端）底面随桥台位移发生向大里程端的纵桥向位移，剪切变形后呈倾斜状的柱体，支座底面和顶面相对水平错动距离达55 mm。多数支座横桥向无明显变形，仅少数局部有轻微的剪切变形现象。见图3。

图3 橡胶支座剪切变形情况

3）预制箱梁位移、梁缝变化情况。0#台位移使得0#台处梁缝变小，桥台背墙局部与箱梁梁端顶紧，对预制箱梁产生向大里程方向的推力；加之随桥台一同位移的支座与梁底接触面摩擦力的作用，使得预制箱梁整体向大里程方向位移，位移量约40 mm。1#台梁缝设计宽50 mm，受预制箱梁位移影响后缩小为10 mm。

3 桥台位移原因分析

3.1 施工方面

1）PHC管桩沉桩挤土效应的影响。PHC管桩在贯入过程中会有较明显的挤土效应，桩周土体受到挤压产生一定位移及变形。贯入后桩周土体的孔隙比减小，干重度增大，土体密实度增大[2]。管桩贯入对桩间粉土和粉砂有较强的挤密作用，内摩擦角和压缩模量均增大，标贯击数有所提高[3]。

关于沉桩挤土效应问题，可以采用圆孔扩张理论进行研究。打桩过程可以看作是受均匀内压的圆柱形空腔体的扩张问题，结合土体的理想弹塑性和工作硬化弹塑性本构模型，可以用数值方法分析打桩对土体产生的影响[4～5]。为分析管桩贯入挤土效应引起的桩周土体径向位移规律和趋势，采用有限元计算软件MIDAS GTS NX模拟管桩贯入过程，采用位移贯入法[6～7]进行模拟。

（1）基本假定。采用总应力法进行分析计算；管桩桩体采用线弹性模型，桩身材料选择C80钢筋混凝土；各层土体都是均质的连续弹塑性体，服从Drucker-Prager屈服准则；桩土接触面采用库仑摩擦的面-面接触方式，同时认为桩体和周围土体一旦接触，法向就不再分开，切向可以相对滑动；土颗粒和孔隙水不可压缩，体积变化是由颗粒间的孔隙被挤压所造成的，同时考虑大变形即几何非线性影响；不计土体自重应力场的影响。

（2）计算参数。为简化计算，采用二维轴对称模型模拟管桩贯入过程，管桩、土体均采用二维轴对称单元模拟。土体计算区域径向取6 m（15倍桩径）、竖向取50 m（2.5倍桩长），土体底面、右侧面及对称轴上设置对应法向约束，土体顶面为自由表面。见表2和图4。

表2 管桩及土体计算参数

续表2

图4 有限元计算模型

（3）计算结果。经模拟分析，单根管桩贯入土体过程中，土体受挤压产生水平向位移，同时地表土体产生较大隆起。土体总体水平位移趋势：表层土体和深层土体位移较小，中上部土体水平位移较大；桩周土体竖向位移总体表现为地面隆起，下部主要表现为土体的竖向压缩变形。距离桩中心越近，水平位移和竖向位移越大，挤土效应越明显。见图5。

图5 管桩贯入挤土效应土体位移

基于单根管桩贯入挤土效应的分析，该桥梁台后PHC管桩施工中，在多排管桩贯入挤土效应的叠加影响下，土体产生较大水平位移并作用于0#台桩基侧面，桩基无法抵抗土体的水平作用力从而带动桥台一同发生纵桥向位移。PHC管桩贯入的挤土效应是该在施桥梁桥台发生位移的根本原因。

2）PHC管桩沉桩施工顺序及沉桩流水施工方向的影响。对于PHC管桩等类挤土桩，沉桩前需考虑挤土或施工振动对周围结构物或建筑物的影响。为避免或降低挤土桩贯入土体对周边环境造成的影响，对于该类桥梁施工，应先进行PHC管桩沉桩施工，待管桩全部沉设完且地层趋于稳定后，再进行钻孔桩、桥台等的施工，即使是在桥台钻孔桩已经施工完成的情况下沉设管桩，也应从桥梁侧向路基侧。试验研究表明[8]，管桩贯入后其作用半径范围内土体的强度和侧摩阻力等提高，液化性和液化等级降低，土体的抗水平位移刚度得到一定提升。加之群桩的遮帘作用[9]，即背着所保护对象沉桩比对着保护对象沉桩产生的挤土效应要小得多，可以通过改变沉桩的流水施工方向，利用先期沉入桩的遮帘作用来降低挤土效应产生的影响；同时控制沉桩速率和进度，结合施工监测，完成剩余管桩施工。

3）桥台与路基施工顺序的影响。该类型桥台施工应在路基填筑完成后进行，实际由于受管线迁改进度及运梁通道等因素影响，先施工0#桥台，后施工临时便道土方且桥台前后填土压实质量存在较大差异。此为该桥台发生位移的又一诱因。

3.2 设计方面

设计0#台为单排桩，桩径1.5 m、桩长40 m，单排桩的抗水平荷载能力及抗倾斜能力较双排桩明显不足。在管桩贯入挤土效应作用下，桥台发生位移，其主要原因是采用了抗水平荷载及抗倾斜能力弱的单排桩设计。

4 处理方案

4.1 桩基质量检测

桥台发生位移有可能对已完工的钻孔桩造成不利影响，为验证桩身完整性和缺陷等情况，采用旁孔透射波法[10]对桩基进行检测。通过激振锤敲击桩顶面或与桩顶连结的结构物产生压缩波或剪切波，波沿桩身向下传播并透射至周围土层，同时利用检波器在桩边预先钻好的孔内接收透射波信号，通过观察波形等对桩身缺陷等情况进行辅助分析[11～12]。经检测分析，该桥台钻孔桩桩身完整，无明显缺陷。

4.2 地基处理方法

台后剩余部分PHC管桩地基处理未施工完成，须对该剩余部分地基进行处理。一方面，为降低已沉设PHC管桩造成的挤土效应，可以采取设置应力释放孔或压泄孔、设置防挤槽或设置袋装砂井等措施[13]；另一方面，采用非挤土桩的工艺对剩余区域地基进行处理。实际采用长螺旋钻机进行取土成孔，灌注混凝土后压入短钢筋笼，再施工桩帽。

4.3 桥台处理及台后填土方法

台后地基处理完成且桥台监测数据稳定后，再对桥台进行处理。经过设计计算，在原单排钻孔桩的小里程端相应增设一排钻孔桩并增设拉结系梁与桥台背墙相连，形成较稳定的双排桩基础。见图6。

图6 桥台变更设计结构构造

钻孔桩、拉结系梁施工完成后，进行台后路基填筑。台后路基采用泡沫轻质土施工，可有效控制基底及本体的变形，加快施工进度。

4.4 支座更换

由于橡胶支座变形严重，需对其进行更换，采用PLC控制多液压缸同步顶升系统[14]将整幅完成湿接缝施工的预制箱梁整体顶升后再更换支座。根据箱梁上部结构荷载及结构实际情况，配备以下顶升设备：1台监控主机、1台液压泵站、1个分油块、1台控制柜、8台50 t千斤顶及高压油管等。该同步顶升系统千斤顶间的同步精度差为1.0 mm。见图7。

图7 桥梁同步顶升系统

为防止箱梁整体顶升时挤压作用力突然释放使箱梁发生前后“蹿动”，导致千斤顶出现滑脱的危险情况，顶升时采用单端整体顶升的方案，即先采用8台千斤顶对一端箱梁进行顶升，临时支垫后更换支座；再按相同方法顶升另一端和更换支座。此外，箱梁一端顶升前，对另一端采用“拉、顶”结合的措施进行加固，即在箱梁和桥台伸缩缝预埋钢筋之间焊接连接钢筋，形成拉结体系；在梁缝里塞垫方木，形成顶撑体系。在顶升另一端时，按相同方法重新施作拉顶体系后，拆除先期施作的拉顶体系，再顶升该端箱梁。

桥梁顶升及支座更换具体施工工艺流程：顶升准备→试顶升→保压→正式顶升→安装临时支垫→更换支座→桥面高程校核→拆除临时支垫→落梁→拆除顶升设备→解除拉顶体系。由于桥台垫石也发生了向跨中的位移，更换支座时应以预制箱梁跨径保持不变的原则来确定新的支座位置。

4.5 梁缝处理

由于桥台位移后预制箱梁梁端梁缝变小、局部出现顶死，已不满足设计和使用要求，为确保桥梁的正常通车和运营，对允许最小梁缝宽度进行验算

式中：ΔL为预制箱梁梁长变化量，mm；α为混凝土的线膨胀系数，取1×10-5；ΔT为温度变化值，℃；L为预制箱梁梁长，mm。

考虑处理时温度增加30℃，计算得预制箱梁梁长变化量为10.5 mm。

对梁缝宽度不足或梁端出现顶死的部位进行处理。在满足保护层厚度的前提下，采用绳锯切割预制箱梁梁端或部分凿除桥台背墙的方法处理梁缝。

5 处理效果

按上述处理方案进行相应处理后，后续施工及使用过程中桥台未发生新的位移，预制箱梁梁体伸缩自由，支座受力及形状正常，箱梁及湿接缝正常，桥梁与路基之间过渡平顺，处理效果良好。

6 建议

1）本工程先施工桥台后进行地基处理和填筑路基是导致桥台发生位移的前提；在地基处理中，既未充分认识到管桩沉设对周边结构物等可能造成的影响，又采取了错误的沉桩顺序，从而加剧了桥台位移。因此，应正确认识各工序的重要性及不同施工顺序可能对结构造成的影响

2）该单跨桥梁两个桥台的设计标准明显不一致，单排桩设计明显不合理，而有效的图纸审查和设计审核可提前发现并纠正设计文件存在的明显错误。因此，应认识到图纸审查和设计审核的必要性和重要性。

3）台前土方填筑时，前后回填压实质量存在较大差异，台前填土压实质量差，未能有效限制桥台纵桥向位移的发展。因此，应认识到工序质量控制和现场管理的重要性。

4）沉桩时，未对管桩施工可能造成的风险进行研判，直至桥台位移发展到支座出现明显变形时，才发现桥台已经发生较大位移，因此，应认识到现场应变能力和风险预判能力的重要性。