高速公路或铁路穿越宽度较大的河流沟谷时,为保持路面高程一致性,多采用施工简单的梁桥结构,引桥桥台与1号桥墩承台高程相差较大时,若桥台堆土处理不当,容易导致1号桥墩桩基础偏移或倾斜,严重影响架梁施工和桥梁安全。分析桥梁桩基堆载偏移机理和纠偏技术有助于预防工程缺陷或消除工程灾害 ^[1]。侍刚等 ^[2]进行了某简支梁桥偏位原因分析,提出了清除堆土、设置应力释放孔、打入高压旋喷桩、顶推纠偏的桩基整治方案,通过荷载试验评定了纠偏后的桩基承载能力,纠偏效果良好。裴碧峰 ^[3]在福宁高速公路某特大桥墩桩基偏位处理中,结合现场工况和地质概况综合分析墩柱桩基偏移原因,提出了挖坑卸载、抽水减压、堆土反压与牵拉回位的综合纠偏方案,纠偏后桩身完整性良好。潘振华 ^[4]在沪宁城际铁路连续梁桩基纠偏技术中根据桥梁地质环境、周边环境和偏移情况综合考虑偏移原因和纠偏难点,针对性解决了高压旋喷桩在纠偏过程中对连续梁桩基纠偏变形量协调、纠偏回弹和对周围建筑影响的问题,对同类型工程具有良好的借鉴意义。杨伟谋 ^[5]等在某高速公路桥桩基掏土纠偏设计与施工中,通过对偏移的内因、外因进行两方面分析,提出了在偏移一侧布置掏土孔来取土,并辅以削土卸载、堆载加荷、千斤顶水平支顶进行纠偏,后期周边灌浆加固的纠偏技术,经过检测,桩基纠偏效果良好。姜凯 ^[6]在某大桥墩柱纠偏过程中,对比传统纠偏方案,结合数控技术提出了顶升纠偏和多点顶推的纠偏技术。

　　 以上研究针对具体工程案例分析了桩基偏移形成过程和采用的纠偏处理方案,具有良好的工程指导意义,但是对桩基偏移机理分析较少,对桩基偏移原因和纠偏技术的综合总结同样较少。本文以山东某高速桥梁工程桩基偏移为研究对象,通过理论分析和数值模拟深入分析桩基偏移机理,系统总结桩基偏移原因和纠偏技术,以期为其他类似工程提供了借鉴。

　　 该大桥全长306.4m,桥跨组成为10×30m,上部结构采用装配式预应力混凝土箱梁,下部结构采用肋式台、柱式墩、矩形墩、桩基。其中1号桥墩基桩直径2.0m、长20m,立柱直径1.8m、高18m,系梁高1.8m,盖梁高1.7m,如图1所示。桩底嵌入强风化花岗岩。桥址区在勘探深度范围内有全风化页岩、强风化石灰岩及强风化花岗岩等。

　　 桩基位于桥梁锥坡坡脚处,其上边坡(即小里程侧)填筑开挖隧洞的弃渣,锥坡填筑如图2(a)所示,锥坡坡度1∶1.73,锥坡高度4～16m,桥墩小桩号侧填高约4.0m,大桩号侧填高约2.0m,填筑线痕迹如图2(b)所示。架梁前复测墩顶盖梁位置,经测量发现:以设计墩柱中心线为基准线,墩顶盖梁向大里程方向偏移最大值为21.5cm,基桩顶向大里程方向偏移最大值为10.4cm,1-0号桩竖直度偏差达到3.4‰,1-1号桩竖直度偏差达到4.2‰,1-2号桩竖直度偏差达到5.2‰。根据《建筑桩基础技术规范》(JGJ 94—2008)要求(桩竖直度允许偏差值3‰H(H为桩长)且不大于20mm)。1号桥墩桩竖直度偏差的测量结果已经超出该规范要求,需要进行特殊处理。

　　 桥墩桩基偏移原因较多,通常是由桩侧受力不平衡、复杂的地质环境、施工处理措施不当等多种因素共同作用引起的,引桥桥台与1号桥墩之间为保持路面高程一致性,高差通常相差较大,故1号桥墩前后两侧一般存在不平衡荷载,不平衡荷载超过桩身的抵抗能力时易引起桩身偏移,通常表现为1号桥墩的基桩整体偏移或桩身倾斜。笔者搜集整理了近年来部分桥梁桩基偏移案例,对其偏移原因、纠偏技术和纠偏效果整理分析,如表1所示。

　　 针对本文所述桥墩桩基偏移问题,设计要求桥台向1号桥墩边坡应分为两级边坡,坡度分别是1∶1.5和1∶1.75,填筑坡脚至系梁顶以上2m。但施工单位没有严格按照设计要求放坡,实际填筑形成的边坡坡脚延伸至1号桥墩处,比设计填筑线高出了2m,如图3所示,由此导致引桥桥台弃渣填筑过高,松散堆积体产生较大偏压作用,从而引起桥墩桩基偏移。

　　 针对本工程桩基偏移问题,首先是施工单位未按照设计要求施工,同时施工单位认为设计单位给出的边坡设计方案应该存在一定的稳定富余,超出填筑2m不应该引起较大偏移,通过对其他相关设计院调研咨询,本工程的边坡设计偏于冒险,边坡填筑线应该止于系梁顶,不应填筑至系梁顶以上2m处,且1号桥墩的另一侧应适当填土,以平衡边坡侧压,由此可以从源头上减少此类问题发生。

　　 本节通过理论计算和数值模拟深入阐述堆土引起桩基偏移的机理。

　　 本工程中桩基偏移与桥台锥坡滑移方向一致,桥台锥坡下滑力超过1号墩桩基水平抗力,造成桩基偏移。在堆载偏压计算中,隧道弃渣堆载按照无黏性土坡计算,弃渣边坡面积为123.75m²,其中浸水部分面积为11.23m²,土体重度为19.0kN/m³,饱和重度为20.0kN/m³,有效的滑动面长度为27.60m,下滑力角度为26.24°,碎石弃渣滑面的抗滑力和黏聚力均为0,不考虑动水压力和浮托力,边坡上部附加力为0。经计算,弃渣的下滑力为1 044.53kN/m,下滑力传递系数为0.897。因此对1号桥墩产生的水平推力为936.94kN/m,1号桥墩共3个基桩,桩直径为2m,故单桩承受的水平荷载T≈1 873.88kN。

　　 《建筑桩基础技术规范》(JGJ 94—2008) ^[13]5.7.2条第4款中公式(5.7.2-1),给出了单桩水平承载力特征值R_ha计算方法:

　　 $R{}_{\text{h}\text{a}}=\frac{0.75\alpha \gamma {}_{\text{m}}f{}_{\text{t}}W{}_0}{\nu {}_{\text{Μ}}}(1.25+22\rho {}_{\text{g}})\left(1\pm \frac{\zeta {}_{\text{Ν}}{\rm N}{}_{\text{k}}}{\gamma {}_{\text{m}}f{}_{\text{t}}A{}_{\text{n}}}\right)(1)$

　　 式中:α为桩的水平变形系数; γ_m为桩截面模量塑性系数; f_t为桩身混凝土抗拉强度设计值; W₀为桩身换算截面模量; ν_M为桩身最大弯矩系数; ρ_g为桩身配筋率; ζ_N为桩顶竖向力影响系数; N_k为在荷载效应标准组合下桩顶的竖向力; A_n为桩身换算截面面积。

　　 通过查阅本工程设计资料和《建筑桩基础技术规范》(JGJ 94—2008),获得相关参数带入公式(1),可得1号桥墩单桩水平承载力特征值R_ha=1 440kN,可见,堆载产生的水平荷载已经超过桩基的水平承载力特征值。

　　 采用大型有限元软件MIADS GTS NX 2015对1号桥墩及周边地层进行三维实体建模,分析堆载对桥梁桩基的影响。

　　 三维数值分析计算中,土岩体采用弹塑性摩尔库伦本构模型,1号桥墩桩基及承台采用线弹性梁结构单元模拟,并设置界面单元以实现其与周边岩土体层的相互作用 ^{[14,15,16,17]}。此外,考虑1号桥墩桩基三维空间效应,桩基础按等效刚度原则选取参数。

　　 根据场区岩土工程地质勘察报告,结合钻孔信息,1号桥墩周边土层物理力学参数如表2所示。根据1号桥墩周边场地实际尺寸及边界效应,计算模型沿桥跨横断面方向分别向左右两侧延伸15m,如图4(a)所示,模型锥坡坡度为1∶1.73,锥坡高度为4～16m,大里程方向长度为35m。

　　 模拟中首先生成地应力场,其次平衡1号桥墩及桩基模型建立后的岩土体应力场,最后按照小里程侧上边坡堆土过程施加荷载。通过数值模拟分析了上边坡堆土对于1号桥墩桩基的土压力及偏移效应的影响,其中1号桥墩位移及应力云图如图4(a)～(c)所示。

　　 由图4(a)可知:在堆积体自身重力的作用下,隧道弃渣堆积成的锥坡下部位移量较大,最大位移量达9.0cm,主要集中在锥坡坡脚表层位置; 同时可知,堆积体对原状土层产生了较大影响,原状土层的最大位移量达6.7cm,主要集中在原状土层的表面层,地面以下16m范围内的原状土层均受到了上部堆积体的影响。

　　 由图4(b)可知:在上部堆积体的影响下,桩基产生了一定的位移,其中最大位移出现在系梁部位,达到4.4cm,主要原因是系梁位于原状土层的表层位置,堆积体对其影响最大; 中桩的变形略小于边桩的变形,主要原因是中桩受到的约束相比边柱更大,整体性更强; 此外,桩的位移从上往下逐渐减小,桩底位移相对于桩顶位移非常小,仅有1～2mm,可以忽略。

　　 由图4(b),(c)可知:与变形相对应,各桩应力从上向下逐渐减小,最大应力发生在桩顶部位,同时,中桩应力小于边桩应力,最大应力出现在边桩桩顶部位,大小为3.13MPa,为拉应力; 此外,中桩应力虽然较小,但最大拉应力也达到2.83MPa,而C30混凝土的抗拉强度标准值为2.01MPa,所以混凝土可能会开裂。

　　 桥梁桩基偏移发生是一个缓慢的过程,桥梁桩基施工完成后往往忽略定期监测,桥梁架设前复检时发现桩基偏移,此时偏移病害已经产生。分析偏移产生原因需要对墩身、承台、桩基及周围土层进行研究,以评估偏移危害并为纠偏设计提供依据。

　　 为确定桩身完整性,对桥梁基桩进行开挖检查和低应变检测。对1号桥墩3根基桩进行开挖检查,开挖深度为2.7m(包含系梁高度1.8m),如图5所示。开挖后发现,桩顶未出现破碎或错位,桩身无开裂,桩身直径及外观满足设计要求,系梁与桩身连接部位沉渣略微明显,这将对桩的水平承载力产生轻微影响。

　　 为进一步确定桩身完整性,采用PIT-VV型基桩动力测试仪对桩身进行低应变检测。检测前对桩侧进行处理,去除桩侧泥浆层并清理出光滑平面,局部磨平并安装膨胀螺栓,将加速度传感器粘贴在桩侧膨胀螺栓根部,传感器安装点距系梁顶约2.4m。以橡皮泥为耦合介质,然后用手锤敲击桩顶平台产生冲击,瞬时冲击产生的信号通过系统放大和A/D转换器转化,变成数字信号后存入内存,同时显示实测波形。

　　 桩身低应变测试结果汇总如表3所示。其中1-0号桩时域信号分析如图6所示。

　　 依据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)和《公路工程基桩动测技术规程》(JTG/T F81-01—2004)的相关规定及表3桩身低应变测试结果,桩身在受拉侧有轻微缺陷,缺陷位置分别距系梁顶4.4,4.9,5.1m,位于强风化石灰岩层,偏移未造成桩身破坏,由此推测1号桥墩3个基桩1-0,1-1,1-2各桩均为Ⅱ类桩。

　　 根据桩基低应变检测结果(表3)和开挖复检结果,1号桥墩1-0,1-1,1-2号桩的桩身完整性尚好,可以通过纠偏使桩基复位。

　　 综合理论计算和数值模拟分析,上边坡隧道洞渣填筑锥坡产生的偏压作用是1号桥墩偏移的主要原因,施工误差等是次要原因。依据偏移现状及发展趋势,需要对1号桥墩进行纠偏处理。

　　 在纠偏施工处理方案确定前,笔者对近年来国内部分工程纠偏技术进行了详细调研,在此基础上有针对性地提出本工程的处理方案。

　　 根据桥梁桩基偏移程度分如下3种情况处理:1)对于桩身完整、偏移量在工程可调节范围内的轻微病害,去除堆土偏压后可以不做处理; 2)对于偏移量大,但桩身未开裂的病害,需要进行纠偏处理; 3)对于偏移量大,且桩身开裂、断桩的病害,需要进行加固和补桩处理。常见的桩基纠偏技术如表4所示。

　　 本文桥梁1号桥墩桩基偏移量略大,为保证运营期间高速公路安全,结合现场施工条件最终采取桩侧钻纠偏孔卸压、桩侧顶推扶正和桩周开挖空间内回填混凝土加固的综合纠偏处理技术,具体如下:

　　 (1)桩侧钻纠偏孔卸压处理

　　 上边坡(小里程侧)隧洞弃渣是引起桩基偏移的主要原因,为消除桩基小里程侧堆载产生的下滑力,阻止桩基进一步偏移,先将边坡弃渣全部清理。在桩基大里程侧由于系梁与桩顶之间有沉渣,不能作为顶推对象,故需要将堆土清理至系梁以下3m处,并保持底面水平。桩基两侧沿桥梁轴线方向左右清理2m,并对大里程一侧做压实处理,为纠偏加载做准备。

　　 (2)顶推扶正处理

　　 为降低纠偏荷载,在1号桥墩基桩小里程侧钻纠偏孔卸载侧向土压力,纠偏孔采用机械成孔,成孔直径150mm,间距约500mm,实际孔深11.5m,孔底距系梁顶16m,每个灌注桩侧布置9个纠偏孔,如图7所示。

　　 在实际顶推施工中,在桩大里程一侧设置钢筋混凝土反力墙(或钢制承压板),规格为20m×3m,墙厚为0.5m,采用C25混凝土。在基桩与反力墙之间架设工字钢作为分配梁,将分配梁、千斤顶以及千斤顶垫板依次相连构成顶推系统,如图8所示。

　　 当同排桩基的顶推条件准备完毕后,即可对桩基施加水平推力,按照表5循环分级加载,每级荷载持续时间≥3h,共9级荷载; 荷载自初始零值或上一级荷载加载至本级荷载并保持一定持续加载时长为一循环加载,循环加载时长不等,以表5备注为准。

　　 每级荷载施加后,应分别按第5,15,30,45,60min测读桩顶位移量,以后每隔30min测读一次桩顶位移量; 桩顶位移速率相对稳定标准为:每1.5h内的桩顶位移变化连续两次不超过0.1mm(从分级荷载施加后的第30min开始计算次数);当桩顶位移速率达到相对稳定标准时,可施加下一级荷载。

　　 本工程1-0,1-1,1-2号桩的纠偏量为70mm,当桩基纠偏达到设计要求后,停止加载。

　　 (3)桩周开挖空间内回填混凝土加固

　　 纠偏到位后,纠偏作用力不得释放,以防止位移反弹。先回填桩基大里程侧并压实,同时进行钻孔注浆加固,钻孔布置如图7所示,待浆液凝固后再分步释放顶推力,拆除千斤顶,最后回填整个基坑,如图9所示。

　　 注浆孔采用机械成孔,成孔直径90mm,孔深11m。注浆孔成孔后放入注浆管,若纠偏孔未闭合,同时采用纠偏孔作为注浆孔,孔口采用水泥砂浆封孔,注浆孔封孔长度为2m。注浆管为ϕ25钢管,钻麻花孔,沿长度方向按300mm间距钻孔,上部2m不钻孔,每圆周布置2孔,注浆管底部进行密封处理。注浆材料为水泥浆,水灰比0.6～0.8,终止注浆压力为1.0～1.5MPa。为保证注浆压力平衡,多孔同时注浆。

　　 为确保纠偏工程顺利完成,在桩基纠偏施工全过程对桩基倾斜位移进行全方位测量监控,在1号墩左右两侧空地和0号桥台位置分别架设全站仪,根据监测信息反馈结果及时调整施工方案,并进行预警控制。以1号桥墩设计墩柱中心线为中轴线,标注盖梁顶和系梁顶,通过仪器观测标注各点与中轴线之间的距离变化,可知纠偏情况。墩柱复位后,观测需持续至数据无显著变化为止。

　　 (1)桥梁桩基偏移原因复杂多样,常在一种或几种原因主导下产生,常见的原因有桩侧不平衡堆载、地质不良、施工处理不当三种。为保证桩基稳定,桥台边坡施工要严格按照设计要求进行,桥台边坡堆土不宜超过系梁或承台顶; 且应探明桩底地质情况,并及时清除桩基两侧不平衡堆载,从源头上遏止桩基偏移。

　　 (2)1号墩桩基单桩承受的水平荷载T≈1 873.88kN,而1号桥墩单桩水平承载力特征值R_ha=1 440kN,桥台边坡堆载产生的水平荷载已经超过1号桩基的水平承载力特征值。利用有限元模拟分析桩基偏移过程,同时也验证了计算结果,得出本工程桩基偏移为1号桥墩水平承载力超限所致。

　　 (3)采用开挖检测和小应变检测法,验证了桩身完整性,同时也为偏移处理提供开挖深度建议和纠偏基础数据。

　　 (4)根据桩基偏移情况,考虑到现场工程条件,制定了钻纠偏孔卸压、桩侧顶推扶正和在桩周开挖空间内回填混凝土加固的综合纠偏方案,纠效果良好; 同时修正桥台刷坡坡度,从源头上消除偏移,可为其他同类工程提供详细的技术参考。