劉潤喜，陳澤盟，王豪，梁斌*

(1.中交二公局第四工程有限公司，河南 洛陽 471013；2.河南科技大學 土木工程學院)

1 前言

伴隨著“一帶一路”倡議的實施，中國在西南邊疆等高海拔偏遠地區(qū)的公路橋梁等項目相繼建成并投入使用。隨著這些公路橋梁項目的增加，難免會遇到各種地質(zhì)病害問題，如季節(jié)性凍土、常年凍土、凍脹丘、涎流冰等。由于西藏地區(qū)地處高海拔寒區(qū)，凍土分布較廣泛，土層在經(jīng)歷季節(jié)變換后產(chǎn)生凍土凍融病害現(xiàn)象。為保證橋梁使用安全，需要針對施工現(xiàn)場地質(zhì)問題進行病害治理與詳細的地質(zhì)勘查，結(jié)合相關設計研究因地制宜地提出施工改進方案，優(yōu)化施工方法等。目前大部分研究主要針對橋梁抗震、橋臺凍脹力等進行有限元分析，而鮮有針對高原地區(qū)柱式橋墩因土層經(jīng)歷凍融循環(huán)后產(chǎn)生力學變化進而影響橋墩穩(wěn)定性的病害分析及防護施工措施研究。因此有必要針對高原凍土地區(qū)柱式橋墩病害分析及防護施工措施進行研究。

目前國內(nèi)外學者主要采用理論與數(shù)值分析相結(jié)合的方法研究此類問題。中國針對土層凍融力學特性的數(shù)值模擬方法主要采用摩爾-庫侖準則，用來描述土層材料的力學特性及變化規(guī)律等。文獻[12]根據(jù)天津濱海新區(qū)地鐵規(guī)劃現(xiàn)狀針對粉質(zhì)黏土、粉土進行室內(nèi)凍結(jié)試驗，對人工凍土的物理性能進行研究。分析得出了三軸強度指標與凍結(jié)溫度之間大致呈線性關系；通過試驗得出了各個物理參數(shù)的變化規(guī)律，模擬了凍結(jié)溫度場擴散，分析對比了數(shù)值分析與理論計算的凍結(jié)時間結(jié)果，驗證了模擬分析具有一定的合理性；文獻[13]根據(jù)格爾木-拉薩直流輸電線路工程第2標段施工的土層病害，不良凍土現(xiàn)象如冰椎、凍脹丘、熱融湖塘等發(fā)育，熱穩(wěn)定性差，容易受到擾動等情況，對多年凍土地基灌注樁基礎施工方法進行研究；文獻[14]基于Ansys有限元軟件平臺建立了多年凍土地區(qū)單樁樁土空間體系的有限元模型，結(jié)合工程實例系統(tǒng)地分析了樁長、樁徑以及樁的長徑比變化對鉆孔灌注樁承載性能的影響。研究結(jié)果表明：對于多年凍土地區(qū)的鉆孔灌注樁，樁徑的增加不僅能提高樁的極限承載力，而且能有效地控制樁頂?shù)某两担晃墨I[15]根據(jù)混凝土樁和凍土的3D導熱功能，基于熱傳導理論和絕熱溫升的指數(shù)定律，結(jié)合連續(xù)和初始條件下的結(jié)果，建立了寒冷地區(qū)實際現(xiàn)場條件下干橋的CIP樁-凍土地面系統(tǒng)的有限元模型。結(jié)果表明：該過程可以有效地模擬CIP樁基礎的放熱過程，CIP樁的澆筑溫度和水化熱對長干橋下凍土的熱擾動是持久的；文獻[16]通過建立多年凍土區(qū)混凝土橋灌注樁水化放熱的傳熱模型，計算由于混凝土水化放熱引起的凍土溫度場變化。結(jié)果表明：混凝土水化熱在澆筑后半年內(nèi)對多年凍土的溫度場影響很大，回凍時間長達2年以上，而用粉煤灰和硅灰取代一定質(zhì)量的水泥可以減少混凝土水化熱對凍土熱狀況的影響。目前，有關高原凍土地區(qū)柱式橋墩病害分析及防護施工措施研究還相對較少。

該文以西藏109國道那曲至羊八井段改建工程曲果大橋K3 680+300～K3 680+640為依托，利用Midas-GTS NX數(shù)值計算軟件分別建立3種工況的柱式橋墩三維分析實體模型，針對高原地區(qū)柱式橋墩在經(jīng)歷凍融循環(huán)前后橋梁立柱、橋臺、灌注樁等結(jié)構(gòu)面的內(nèi)力、位移、結(jié)構(gòu)變形等力學變化進行分析比較，研究高原凍土地區(qū)柱式橋墩各結(jié)構(gòu)面因土層凍融、病害等影響對其力學特性的改變，提出針對性的施工措施，分析優(yōu)化前后橋梁立柱、承臺、樁等結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律，進而指導工程施工。

2 工程概況

2.1 工程概況

“一帶一路”重要項目西藏國道109線那曲至拉薩公路那曲至羊八井段改建工程曲果大橋，位于當雄縣烏瑪塘鄉(xiāng)附近，路線斜跨河流。大橋樁號為K3 680+300～K3 680+640，橋梁中心樁號為K3 680+470，橋梁總長為340 m。上部結(jié)構(gòu)形式為裝配式PC簡支箱梁，下部為柱式墩樁基礎，橋梁路面設計高程為4 397～4 387 m。土層平均海拔為4 389 m，處于高山缺氧環(huán)境。

2.2 地質(zhì)病害

曲果大橋項目處地表水水位埋深為0.0～8.5 m，變幅為±1.0 m，分布于第四系松散堆積層，補給源為大氣降水及地下水側(cè)向滲補。橋址區(qū)內(nèi)主要為季節(jié)性凍土，標準凍結(jié)深度為1.4 m，主要巖性為圓礫、腐殖土、粉土。

在全球氣候整體變暖的背景下，凍土區(qū)隨著氣溫上升，地溫也隨之升高，季節(jié)性凍土上限下降，產(chǎn)生退化、融沉等地質(zhì)災害，引起地基不均勻沉降。隨著時間推移，沉降值逐年增加，影響橋墩等基礎構(gòu)件穩(wěn)定性，后期橋梁使用安全性降低。根據(jù)地質(zhì)勘察報告、當?shù)厥┕ぬ攸c以及內(nèi)陸施工經(jīng)驗，擬針對基礎土層凍融侵蝕、融沉對橋墩的影響，在橋墩土層0～4 m深度內(nèi)擬采用鋼護筒進行保護以增加基礎構(gòu)件整體穩(wěn)定性，橋墩基礎構(gòu)件均采用水下防凍混凝土澆筑施工，亦可采用氣泡混合輕質(zhì)土用于基礎構(gòu)件保溫隔熱，針對高原地區(qū)特殊施工環(huán)境選擇寒季施工以降低凍土凍融對橋墩基礎構(gòu)件的影響。

根據(jù)地質(zhì)勘查及對巖石物理力學性質(zhì)統(tǒng)計后，得到有關各巖土設計參數(shù)建議值如表1所示。

表1 巖土設計參數(shù)

3 有限元模型建立

3.1 有限元模型

為了分析高原地區(qū)柱式橋墩凍融病害，以樁號K3 680+560，地面標高為4 382.4 m，橋面設計高程為4 391.259 m，編號QZK5柱式橋墩為例，分別建立柱式橋墩3種工況三維力學實體模型，其中：立柱與灌注樁縱筋采用HRB235、箍筋采用Q235、蓋梁與箱梁均采用C30混凝土澆筑，橋面采用瀝青鋪裝，具體模型材料如表2所示。

表2 柱式橋墩實體模型材料

建模分析時，計算模型邊界建立至樁基坑開挖影響最小的地方。根據(jù)橋址附近土層特性和部分邊界影響，X軸方向取100 m，Z軸向下取灌注樁長3倍距離60 m，Y軸取兩個相鄰立柱距離20 m，水平面取地下4.25 m深度。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告得到每年10月1日至第二年2月27日共計150 d溫度變化曲線設置溫度變化函數(shù)，模擬凍融循環(huán)。

3.2 橋墩、土層材料參數(shù)選取

根據(jù)JTG 3363—2019《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》，并參照該項目每年10月份全線的經(jīng)驗參數(shù)范圍，綜合確定土層和構(gòu)件的有限元參數(shù)如表3所示。

4 病害對比分析

由于該公路大橋工程地處海拔4 380～4 495 m高原季節(jié)性凍土區(qū)，施工所處位置環(huán)境條件惡劣。每年季節(jié)變化，土層經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后土顆粒間相對位置發(fā)生改變，塑性指數(shù)減小，滲透性增大，同時土層體積進一步增大影響施工完成后的橋梁樁基礎等結(jié)構(gòu)構(gòu)件附近土層的穩(wěn)定性，產(chǎn)生塌陷、隆起等土質(zhì)病害問題，進而引起樁、承臺等結(jié)構(gòu)構(gòu)件不均勻沉降、位移等，影響橋梁整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，間接造成安全事故等。

通過建立3種工況下橋梁-基礎-地層三維分析實體模型，分析高原季節(jié)性凍土區(qū)橋墩結(jié)構(gòu)面、基礎土層在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后，地基土體內(nèi)部水相變化引起的地層融沉、軟弱地層等病害對樁基礎、承臺、立柱等橋梁基礎構(gòu)件力學性能的影響，進而引起橋墩基礎構(gòu)件的沉降、水平位移等變化。

4.1 土層水平應力

采用Midas-GTS NX，模擬通用橋墩施工完成后橋梁基礎部分經(jīng)歷凍融循環(huán)前后，得到如圖1所示不同工況下地基土層水平應力變化云圖。

表3 巖土和構(gòu)件的有限元參數(shù)

圖1 土層水平應力云圖(單位：kPa)

對比圖1(a)、(b)可以看出：土層經(jīng)歷凍融循環(huán)后體積膨脹，孔隙比略有增大，對灌注樁樁側(cè)均產(chǎn)生水平應力，同時在經(jīng)歷凍融循環(huán)后樁側(cè)受到土體水平應力最大值從56.39 kPa增加至60.52 kPa，增加了7.32%；對比圖1(a)、(c)，樁側(cè)受到土體水平應力最大值從56.39 kPa增加至59.29 kPa，增加了5.14%。可見，采用C30水下防凍混凝土灌注樁并增加4 m埋深的樁頭鋼護筒的工況3，相比僅采用C30防凍水下混凝土不加鋼護筒的工況2，灌注樁樁側(cè)受到的土體水平應力進一步降低，有效降低土體對樁頭產(chǎn)生的水平力作用而引起的灌注樁側(cè)移病害的產(chǎn)生，保證了灌注樁的整體穩(wěn)定性。

4.2 橋梁基礎構(gòu)件內(nèi)力變化

通過模擬橋梁實體模型，計算得到基礎構(gòu)件水平應力值隨構(gòu)件埋置深度的變化曲線如圖2所示，0～-2.1 m為立柱下端埋置土層深度、-2.1～-20 m為灌注樁埋深。凍融循環(huán)前后基礎部分構(gòu)件水平應力在土層深度逐漸增加至粉土層與圓礫土層交界處產(chǎn)生最大值，土層變界面埋深5 m處構(gòu)件為灌注樁。在進行施工優(yōu)化前，土層凍融循環(huán)影響后基礎構(gòu)件最大水平應力值增加至25.93 kPa，相較于凍融循環(huán)前水平應力值23.08 kPa增加了12.35%，橋梁基礎構(gòu)件容易產(chǎn)生水平膨脹力，混凝土的抗壓強度與抗折、抗拉強度損失較大，容易引起立柱、灌注樁、承臺等構(gòu)件開裂、錯位等嚴重安全隱患。在增設鋼護筒保護樁頭與立柱底部，采用水下防凍混凝土灌注樁和立柱等構(gòu)件，在經(jīng)歷凍融循環(huán)后水平應力值僅增加6.11%，為24.49 kPa，可以有效降低橋梁基礎構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生的水平應力對其本身的破壞作用，證明在施工優(yōu)化中必要的施工防護措施非常重要。

圖2 橋梁基礎構(gòu)件水平應力值

4.3 鋼護筒內(nèi)力分析

根據(jù)4.1節(jié)土層內(nèi)力變化和4.2節(jié)構(gòu)件內(nèi)力對比分析可以看出：增加相應施工措施后工況3的橋梁構(gòu)件水平應力明顯降低，說明鋼護筒在應對土層水平凍脹應力時對立柱下端、承臺、灌注樁上段有一定保護作用，有效降低了土層水平應力對構(gòu)件的剪力影響效果，提高了構(gòu)件的安全性與穩(wěn)定性。由圖3(a)、(b)可以看出：鋼護筒所受最大主應力為3 142.67 kPa，最小主應力為1 673.94 kPa，滿足設計要求。鋼護筒采用Q235鋼材，由于鋼護筒和灌注樁、立柱分別是嵌固于一體的，可認為其兩者為協(xié)同變形。從圖3(c)可以看出：鋼護筒所受最大水平剪力為211.94 kN/m，圖3顯示在增設鋼護筒后橋梁基礎構(gòu)件經(jīng)歷凍融循環(huán)后水平應力值明顯降低，鋼護筒提高了混凝土界面的抗剪強度，分擔了大部分剪切力，用以遏制土層、橋梁基礎構(gòu)件如立柱、承臺等病害的產(chǎn)生。

4.4 立柱沉降病害

立柱直徑為1.4 m，土層埋深長度為-2.1 m，通過有限元模型模擬計算，得到如圖4所示立柱沿高度方向沉降值。原設計施工采用普通C30混凝土進行立柱澆筑施工后產(chǎn)生10.17～11.18 mm豎向沉降，由于橋墩基礎土層經(jīng)歷凍融循環(huán)后，土顆粒相對位置發(fā)生改變，塑性值降低，體積增大等影響使其力學性能改變，土層產(chǎn)生融沉等病害影響基礎部分構(gòu)件的穩(wěn)定性，使立柱產(chǎn)生不均勻沉降，引起橋墩上部結(jié)構(gòu)如蓋梁、箱梁等產(chǎn)生較大變形，從而引起路面開裂直至產(chǎn)生較大裂縫，影響行車安全等嚴重橋梁事故。工況2中立柱豎向沉降值為13.00～13.52 mm，最大沉降量超過凍融循環(huán)前27.82%，產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，影響蓋梁等橋面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進而對之后的橋面使用、車輛行駛安全造成隱患。工況3通過施工優(yōu)化增加立柱土層埋置段處鋼護筒，改用水下防凍C40混凝土進行立柱澆筑施工，模擬得到凍融循環(huán)后立柱沉降為10.98～11.50 mm，最大沉降量超過施工優(yōu)化前、凍融循環(huán)前7.96%，有效降低了因土層凍融循環(huán)后產(chǎn)生力學變化、降低地基土層融沉、隆起等病害的產(chǎn)生對立柱豎向位移、變形的影響，提高了橋面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖3 鋼護筒內(nèi)力云圖

圖4 立柱沉降值

4.5 樁沉降病害

曲果大橋采用直徑為1.8 m、樁長為20 m的鉆孔灌注樁，根據(jù)橋梁實體模型計算得到圖5所示灌注樁沿樁長方向產(chǎn)生的豎向沉降值。原設計施工采用C30混凝土灌注樁，對比凍融循環(huán)前后可以看出：灌注樁在樁頂位置-2.1 m處產(chǎn)生較大沉降，凍融循環(huán)前為-10.15 mm，凍融循環(huán)后為-12.99 mm，增加了27.98%，灌注樁產(chǎn)生較大沉降，影響上部結(jié)構(gòu)使承臺發(fā)生剪切破壞產(chǎn)生裂紋，立柱由于不均勻沉降產(chǎn)生裂紋等現(xiàn)象，影響橋梁整體穩(wěn)定性。工況3通過施工優(yōu)化后改用C30水下防凍混凝土灌注樁，并在樁頭增設鋼護筒后，凍融循環(huán)后灌注樁產(chǎn)生的沉降為10.96～9.24 mm。相比施工優(yōu)化前未經(jīng)歷凍融循環(huán)時灌注樁沉降值增加了7.98%；與經(jīng)歷凍融循環(huán)后相比降低15.63%，證明鋼護筒與水下防凍混凝土抵抗土層凍融循環(huán)影響效果顯著，有效提高了灌注樁的抗沉降性能，進而提高橋梁基礎構(gòu)件整體穩(wěn)定性，降低病害的產(chǎn)生。

5 防護施工措施

通過建立橋梁有限元實體模型計算分析得到土層內(nèi)力，橋墩構(gòu)件內(nèi)力、位移變化等，證明在高原凍土地區(qū)進行柱式橋梁墩柱等基礎構(gòu)件施工時，有必要針對構(gòu)件材料，墩柱結(jié)構(gòu)設計等進行因地制宜的施工優(yōu)化，可以有效降低凍土凍融循環(huán)影響，引起橋梁基礎內(nèi)力變換，產(chǎn)生水平或豎向位移等病害。由上分析可知，采用優(yōu)化橋梁墩柱施工措施，不僅能有效提升橋梁后期使用穩(wěn)定性，行車安全性，也可以提高橋梁使用年限，提高施工整體效率等。

5.1 Q235鋼護筒

在灌注樁施工完成后及時調(diào)放鋼護筒，使鋼管樁與鋼護筒嵌固在一體共同承擔土層內(nèi)力，充分利用鋼護筒富余的承載力應對土層水平應力等變形影響，增加上部承臺及立柱等橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性，有效提高橋梁施工、后期使用的經(jīng)濟效益。

5.2 C30、C40水下防凍混凝土

橋梁立柱采用C30、C40水下防凍混凝土以充分發(fā)揮混凝土超高抗壓強度的優(yōu)勢，通過摻入防凍劑等提高混凝土的保水性，使其基本不會出現(xiàn)混凝土泌水現(xiàn)象。采用無氯、低堿等高效防凍劑，提高混凝土水下防凍性能，有效降低在季節(jié)性凍土區(qū)因土層凍融循環(huán)產(chǎn)生體積變形等變化進而影響灌注樁的穩(wěn)定性等。

5.3 氣泡混合輕質(zhì)土

高原季節(jié)性凍土區(qū)橋墩基礎構(gòu)件可采用輕質(zhì)氣泡土材料用于隔熱、保溫和承重。氣泡混合輕質(zhì)土用作人工地基或橋墩基礎結(jié)構(gòu)部分，其隔熱保溫功能可延緩基底凍層融化，保證其具有高強度和高承載力。同時輕質(zhì)氣泡土具有施工簡單、方便、工場化和快捷的特點，在節(jié)約成本的同時可加快施工進度。

5.4 擇期施工

根據(jù)有限元實體模型分析可以看出，地基土層在經(jīng)歷凍融循環(huán)后易產(chǎn)生較大力學變化，影響已施工完成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，因此在進行樁基等橋墩基礎部分施工時，需要盡量減少對季節(jié)性凍土區(qū)土層熱施工擾動，降低凍土消融退化等病害影響。需要因地制宜，根據(jù)當?shù)貧鉁刈兓?，盡量選擇寒季施工，以減少凍土在施工后期產(chǎn)生的融沉等現(xiàn)象。

6 檢測結(jié)果對比與實施效果

6.1 檢測結(jié)果對比

根據(jù)建立的橋梁有限元實體模型，計算得到橋梁基礎構(gòu)件、地基土層等內(nèi)力變化，通過對比分析，更深入了解柱式橋墩構(gòu)件在經(jīng)歷凍融循環(huán)前后各項力學性能變化規(guī)律等。相較于內(nèi)力分析，沉降位移變化更為直觀地反映在實際工程施工中。有限元實體模型模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析對比如表4所示。

表4 承臺測點豎向沉降值 mm

由表4可知：模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果變化趨勢相似，證明了有限元模型的可行性。

6.2 實施效果

在高原季節(jié)性凍土地區(qū)進行柱式橋墩施工時需要在保證施工質(zhì)量，降低凍土病害產(chǎn)生的前提下對灌注樁、承臺、立柱等橋梁基礎結(jié)構(gòu)進行施工優(yōu)化，采用增設鋼護筒、改用水下防凍混凝土等施工措施，以達到提高施工效率，節(jié)省施工經(jīng)費，縮短施工工期等效果。

7 結(jié)論

(1)通過對3種工況下高原季節(jié)性凍土區(qū)橋梁實體有限元模型力學變化對比可以看出：相比于工況1，采用C30水下防凍混凝土并增設鋼護筒后，灌注樁樁側(cè)受到土體水平凍脹應力降低29.78%；橋梁基礎構(gòu)件水平應力值僅增加6.11%，抵抗凍土病害影響效果顯著，但仍需要在施工中著重注意，以保證施工質(zhì)量。

(2)根據(jù)土層內(nèi)力與基礎構(gòu)件內(nèi)力對比分析，增設鋼護筒施工措施可以有效降低土層及構(gòu)件病害影響，保護基礎構(gòu)件的穩(wěn)定性。模型計算得到鋼護筒所受最大剪力為211.94 kN/m，最大主應力為3 142.67 kPa，最小主應力為1 673.94 kPa，有效提高了混凝土界面的抗剪強度，降低了土層對構(gòu)件的剪力影響。

(3)運用有限元軟件模擬柱式橋墩基礎構(gòu)件在經(jīng)歷凍融循環(huán)前后，增設鋼護筒并采用C30、C40水下防凍混凝土后，立柱沉降量僅增加7.96%，灌注樁沉降增加7.98%，有效提高了灌注樁的抗沉降病害性能與穩(wěn)定性。

(4)對比模擬值與實際監(jiān)測值，印證了該文方法的可行性，對比3種工況的柱式橋梁實體模型可以看出，在增設鋼護筒、采用水下防凍混凝土等施工措施后，可以有效降低季節(jié)性凍土凍融循環(huán)產(chǎn)生病害的影響。同時根據(jù)模型分析對比可知，在保證施工質(zhì)量的前提下，因地制宜地改進施工方法，可以提高施工效率。