任东华
中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 610031
摘 要：为研究河床改造开挖基础外露对连续梁桩基的影响，以某连续梁桥河道疏浚改造工程为例，结合现场勘查与地质情况，对河床开挖前后桩基承载力进行了计算分析，采用MidasCivil软件进行了数值模拟，分析了河床开挖前后结构动力特性与地震响应。研究实例与成果可为后续设计、施工及同类工程问题提供参考。
关键字：连续梁桥；河床开挖；桩基外露；数值模拟；动力特性
中图分类号：U443.15 文献标志码：A 文章编号：
1工程背景
某跨河城市桥梁，桥长290m，宽18m。主桥采用变截面预应力混凝土连续梁桥，跨径组合为30m+2×45m+30m。引桥由2跨预应力混凝土连续梁桥和1跨现浇钢筋混凝土简支空心板桥组成，跨径组合均为2×30m+10m。桥墩采用变截面矩形桥墩，基础均采用钻孔灌注桩，桩端嵌入完整稳定的弱风化岩层（嵌入深度≥6m），桩基直径均为1.5m。
为提升河道防洪能力预留疏浚作业空间，拟对河床进行开挖。现状场地整体地形有一定的起伏，河床标高为440.337~441.704m。改造要求的河床标高不得高于436.00m，将导致桩基外露24.2cm-131.3cm。桥梁结构及河床拟改造开挖情况如图1所示。
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桥位场地工程地质情况：
（1）范围内地基土按时代和成因划分为： 第四系全新统杂填土层①（Q4ml）、第四系全新统冲洪积（Q4al+pl）砂卵石层②、白垩系灌口组泥岩层③（K2g）三个工程地质层。
（2）桥位场地地震基本烈度为Ⅵ度，场区地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s。
为研究河床开挖基础外露对桩基的影响，对河床开挖前后桩基受力与结构动力特性及地震响应进行了计算与分析。
2有限元模拟分析
采用有限元计算软件MIDAS-Civil进行计算，考虑自重、二期恒载、移动荷载、制动力、水流压力、温度荷载等作用。并结合现场检测成果进行建模分析。桥梁整体计算模型如图2所示。
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主梁、墩柱及桩基均采用空间杆系单元模拟，单元质量采用集中质量代表，支座依据实际支座的力学特性模拟，混凝土结构的阻尼比取为 0.05；桩土作用在模型中以节点弹簧支承模拟，地基弹性刚度按“m法”结合地质情况近似模拟[1,2]。
3桩基承载力验算
本桥采用单排桩或多排桩接承台基础。群桩的共同作用是承台-桩群-土的共同工作。对于端承桩，在桩端平面处地基所受压力可认为只分布在桩端面积范围内。因此，可认为群桩基础各桩的工作情况与独立单桩相同[3]。
3.1 单桩竖向承载力验算
根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363）进行桩基础的竖向承载力验算。结合有限元计算得到最不利组合效应下各墩桩基最大反力见表1。
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对于嵌入基岩中的钻孔桩，单桩轴向受压承载力特征值Ra可按下式计算[1]：
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以最不利8#墩桩基为例：河道开挖前后桩基埋置深度内土质分布情况见表2。
表2 河道开挖前后桩基埋置深度内土质分布
8#墩单桩承载能力验算结果详见表3。
表3 单桩承载能力验算结果
由于河床开挖，造成桩基上部土层减少，开挖后单桩竖向承载力特征值也随之降低。但该桩为端承桩，桩基大部分已嵌入中风化岩中，开挖部分的土层桩周土摩阻力标准值相对较小，因此对单桩竖向承载力特征值影响较小，开挖后桩基单桩竖向承载力满足规范要求。
3.2 桩基强度及裂缝宽度验算
（1）桩基作用效应计算
按“m”法计算桩基作用效应，桩底嵌固在基岩中的单排桩式桥墩计算示意如图3所示[1]。
图3 桩底嵌固在基岩中的单排桩式桥墩计算图式
桩身入土段任一深度z处的弯矩见表4。
表4 地面或局部冲刷线处深度z处桩截面内力
由表4可以看出，开挖后地面线以下土层范围内桩截面内力均显著增大，进入岩层后变化不大。开挖后桩基最大弯矩发生在距承台底z = 2.0m处，此处设计最大弯矩为Mz，max = 1402.9kN，相应竖向力为Nz = 7981.8kN。
考虑偏心增大效应，开挖后最不利组合用下桩基截面强度验算结果详见表5。
这里按圆形截面偏心受压构件且满足e0/r≤0.55，无需进行裂缝宽度验算。
表 5 开挖后桩基截面强度验算结果
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综上可得，河床开挖后由于附加弯矩作用地面线以下土层范围内桩截面内力均显著增大，但桩基强度仍满足要求。
3.3 桩基顶面水平位移验算
根据上部结构静力计算结果，8#墩顶水平力H=346.5kN，竖向力P=20545kN。
开挖前地面线处桩的作用效应
弯 矩：M0 = M+H(h2+h1) =1201kNm
剪 力：H0 = H =115.5kN。
开挖后地面线处桩的作用效应
弯 矩：M0 = M+H(h2+h1)=1316.7kNm
剪 力：H0 = H =115.5kN。
桩顶水平位移验算结果详见表6。
表6 桩柱顶水平位移验算结果
由表6可以看出，开挖后在附加弯矩作用下，桩柱顶水平位移有所增加，但未超限值。
4结构动力特性分析
为研究河床开挖对结构动力特性的影响，根据计算模型进行模态分析。开挖前后结构顺桥向及横桥向1阶振型见图4~图5，结构频率见表7。
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图5 开挖前后横桥向1阶振型
表7 开挖前后1阶频率
综上可知，开挖前后顺桥向1阶振型均表现为8#墩纵向弯曲，横向1阶振型表现为墩梁横向侧弯，但改造开挖后墩柱频率均有所降低，主要是因为墩周河床开挖减小了桩基础的地基约束。
5地震作用下结构响应
本桥抗震设防分类为B类，抗震措施等级为二级。抗震设计方法选择3类。但此处开挖后按2类进行 E1 地震作用下的抗震分析和抗震验算。本桥为规则桥梁，以下按MM反应谱方法进行分析[4,5]。
（1）E1地震作用下抗震分析与结构内力计算：
本桥为B 类，I类场地，桥梁抗震重要性系数Ci取0.43，场地系数Cs取1.2。E1地震反应谱曲线如图6所示
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图6 E1地震反应谱
E1地震作用下，采用总体空间模型计算桥梁的地震反应。根据计算结果，E1地震作用下，8#墩桩基开挖后地面线处纵向作用效应
弯 矩：M0 = M+H(h2+h1) = 965.5kN·m
剪 力：H0 = H=97.1kN。
计算地面或局部冲刷线以下深度z处桩各截面内力。开挖后桩基纵桥向最大弯矩发生在距承台底z = 3.0m处。最大内力见表8。
表 8 E1地震作用下桩基最大内力
因此，按纵
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桥向E1地震作用下桩基内力控制验算。
（2）E1地震作用下桩基单桩竖向承载力验算
E1地震作用下最不利8#墩桩基最大反力为
P=7493.3kN＜γR Ra=17184kN。
E1地震作用下桩基单桩竖向承载力满足要求。
（3）E1地震作用下桩基强度验算
E1地震作用下桩基强度验算结果详见表9。
表 9 开挖后E1地震作用下桩基截面强度验算结果
综上分析，河床开挖后，E1地震作用下桩基单桩竖向承载力及桩身强度仍满足要求。
6结 论
本文结合某连续梁桥河道疏浚改造工程，分析了河床开挖对桩基的影响，得出以下结论：
（1）河床开挖桩基外露后，单桩竖向承载力特征值相应降低。但开挖部分的土层桩周摩阻力相对较小，对单桩竖向承载力特征值影响不大。
（2）河床开挖后由于附加弯矩作用地面线以下土层范围内桩截面内力均显著增大，但桩基强度仍满足要求；
（3）河床开挖桩基外露后，基础约束减弱，桥墩纵、横向频率均有所降低；E1地震作用下，桩基单桩竖向承载力及桩身强度仍满足要求。
参考文献
[1]JTG 3363-2019,公路桥涵地基与基础设计规范[S]
[2]杨智.柱式桥墩桩基在河床开挖前后的受力分析及病害处理建议[J]城市道桥与防洪,2015(7):128-131.
[3]王成.桩基计算理论及实例[M]成都：西南交通大学出版社,2011
[4]JTG/T 2231-01-2020,公路桥梁抗震设计规范[S]
[5]刘泳钢，吕 龙.冲刷作用对连续梁桥桩基地震响应影响[J]. 四川建筑科学研究.2019.45(1):17-21