超厚流塑性软基层中桥梁桩基水平位移防范与治理设想

1 引言

在沿海冲积平原地区, 桥梁桩基常常需要穿越较厚的流塑性软土地基。软土地基具有天然含水率较高、塑性指数较大, 流塑性强, 以及具有较大的压缩性和触变性等特点。这样的软土层, 在附加荷载, 比如桩基周围路基的堆载与地下水位的变化等, 都会引起软土层的应力重新分布与平衡, 造成桩基承受水平侧压力变化而失衡, 产生水平位移。

2 工程概况

某沿海地区的桥梁, 采用跨径3×20米先简支后连续小箱梁设计方案, 桥墩台桩基采用8×直径为110mm单排钻孔灌注桩设计方案, 桩长56.00米左右, 埋深54.00米左右, 桩底标高-54.00米左右, 河底标高1.00米左右。地质情况是最上层1米左右的填土和粉质粘土, 下面是23.7-25.0米厚的软土层, 该层天然含水量达55.00%-60.00%, 呈流塑性状态, 压缩系数大。

2013年4月份桩基施工结束, 同步开始桥头路基填筑, 并在2013年9月进行桥头等超载预压料填筑, 9月底发现跨中1号、2号墩排桩向河中方向水平位移, 最大位移量达41.1cm.

3 处置过程及效果

3.1 应急处置

立即组织人员, 对桥头填筑纵向范围20米, 以及0号、1号、2号、3号墩台桩顶及其周围30米范围布点, 进行坐标位移观测, 每天观测一次。同时对0号、3号桥台桩后堆土进行分层卸载, 以及对1号墩、2号墩之间河道部位 (枯水季节, 河道无水) 进行加载纠偏。

3.2 处置效果

经过近一个月的分层卸载与河道1号、2号墩之间分层加载反压, 于2013年10月30日进行纠偏效果监测, 发现桩基水平位移得到较好的纠正, 位移量较设计位置偏差在10cm左右, 且立柱顶平面位移与方向呈动态随机变化, 表明卸载与反压纠偏效果极不稳定。后针对每个桩的位移变化轨迹, 逐根桩基采用不同的反压纠偏措施, 即在位移的矢量方向着力加载, 并根据位移量的大小增减反压重量。2014年1月17日再次观测, 桩基较设计位置位移量在2.9cm-4.6cm范围, 基本达到纠偏期望, 满足施工规范桩位偏差要求, 但在随后的每天观测中发现相对位移量与方向仍然是随机变化, 不过位移量均趋于收敛。

4 原因分析

4.1 位移产生的原因

桩基所有位置的软土层, 在桥头填土的外力作用下, 软土层发生沉降与侧移, 软土层应力重新平衡与分布, 致使桩基周边土层侧压力失衡, 进而产生桩基侧弯变形与桩上部位移。

4.2 整体卸载与加载反压效果极其原因

各桩基 (立柱) 位移量与方向因桩位所在位置下面软土层接受来自桥头堆载料传递的应力大小是不一样的, 因此初期采用整体加载与反压堆载, 对于纵向偏位较大的桩基 (立柱) 纠偏效果是明显的。但因为桥头卸载与河道中加载反压, 在软土层产生反向平衡应力的过程是缓慢的, 软基层在附加荷载的作用向, 应力重新分配与调整, 进而建立新的平衡体系也是缓慢的, 更深层次的原因是加载预压与卸载后, 软土层压力水的渗流与流塑性很大的淤泥质土或淤泥挤压变形, 重新分配而趋于平衡是很缓慢的。因此, 桩基 (立柱) 位移及方向表现出随机现象, 而这一现象在以往文献中很少揭示与提及。

4.3 局部非整体反压纠偏效果及原因

后期采用局部 (逐根) 着力加载反压, 并根据位移量的大小增减加载量, 效果比较明显, 其原因是减少单根桩基 (立柱) 加载反压量及其对相邻的桩基 (立柱) 附加荷载的影响量, 从而软基层应力重新分配、趋于平衡的时间大大缩短。

5 桩基位移防范及处治设想

5.1 勘探设计阶段

勘探设计阶段, 地勘部门要对桩基一定范围, 特别是沿海冲积平原, 河网密布地区, 地质情况比较复杂, 特别是软卧层分布极不规律, 特别是桩基所处位置进行详细勘探 (详勘) , 以便设计部门拿出针对性设计方案。

设计部门必须高度重视较厚的软基层在附加荷载的作用下产生侧移, 对桩基产生的侧向压力, 致使桩基发生位移这一问题, 因此, 可以采取:

(1) 桥头填筑材料优化

采用轻质材料, 如粉煤灰、泡沫混凝土等进行桥头填筑, 较少路基填筑料对软土层的扰动与过大的附加应力, 缩短软土层应力重新分布与平衡时间。

(2) 严格控制分层填筑速率, 减少过大的集中应力产生, 尽量减小桩基侧向压力, 同时可以配合桩前加载反压措施, 避免或减少桩基失衡侧压力产生;

(3) 如果软基层较厚或超厚, 还可以考虑在桥头密排三轴搅拌桩、预应力管桩等, 插大深度和范围完全可以计算出来, 同时配合桥头轻质填料措施, 阻断软土层附加应力的传递路径。

(4) 扩大桩基设计直径, 加大桩基刚度。加大桩基横向间距, 减少或消解软土层附件应力对桩基的的作用与影响范围;

(5) 增加桩基承台设计, 增强桩基整体抵抗失稳能力。

(6) 完善软基层附加应力计算模型, 能够准确计算桥头加载与反压加载量。

5.2 施工阶段

(1) 严格控制桥头路基填筑速率, 避免集中的附加应力产生;

(2) 严格按设计提出的方案进行桥头加载与桩前反压加载的施工同步性, 且桩前反压与桥头填筑速率严格按设计验算的结果进行;

(3) 重视桥头填筑与桩前反压加载施工过程中的桩基周边地表沉降量观测, 以便及时采取措施及时纠偏。

6 小结

软土地基中桥梁桩基水平位移、沉降原因是比较复杂的, 其采取的纠偏措施种类也很多, 比如还可以在地锚与偏位的墩身之间安装滑轮组, 采用手拉葫芦缓慢加载纠偏等。但不管采取何种措施, 都要注意纠偏效果的稳定, 不能出现反弹偏位, 这就要求纠偏实施要缓慢, 以便附加应力在软土层中逐步消解完毕。另外, 桩基偏位纠偏后, 必须对桩基进行全面体检, 杜绝缺陷桩带病营运服务。当然, 从勘探、设计、施工等方面采取主动预防措施, 避免桩基在附加应力作用下产生非正常位移、沉降, 应该是首先考虑的策略。

摘要：在桥梁工程施工过程中, 桥梁桩基如果穿越较厚的流塑性软土层, 在其周边附加荷载的作用下常常发生水平位移, 如果在设计与施工过程中不加以防范, 以及发生水平位移不采取有效方法进行治理, 将对工程产生很多的质量与安全隐患。本文结合具体案例, 提出桩基水平位移的防范与治理方法, 对同类情况将有很好的参考价值。

关键词：软基,桩基,位移,治理

参考文献

[1] 陈宜健, 桥梁桩基在水平荷载下的位移探讨, 《山西建筑》, 2013年7月第39卷第21期, P191-192.

[2] 郭怡桦, 软土地基上桥梁桩基位移处理实例, 《公路交通科技, 应用技术版》, 2008年06期 (总第42期) , P126-P127, P130.

[3] 李志军, 软土地基上桥梁桩基位移纠偏、加固处理实例, 《北方交通》, 2016年第4期, P16-18.

[4] 尹萍、贾富贵, 软土地区桥梁桩基位移检测与性状分析, 《公路与汽运》, 2103年第1期, 总第154期, P157-P160.