随着我国交通基础建设的快速发展，公路桥梁的数量与日俱增。在桥梁的设计建造中，桥梁桩基础的性能对保证桥梁的正常工作至关重要。当桥梁桩基础周边有非对称堆载时，非对称堆载会对桩基础的受力产生一定的影响，引起桥梁的倾斜甚至破坏^[1-2]，研究非对称堆载对桥梁桩基础结构的影响至关重要，而桥梁桩基础在非对称堆载作用下的变形机理比较复杂^[3]，堆载对桥梁桩基础的作用按照作用可以分为两个方面：一是堆载作用下土体产生竖向变形，对桩基产生负摩阻力。二是堆载作用下土体发生侧向变形^[4]，对桩基产生水平荷载，引起桥梁桩基在水平方向发生位移或发生挠曲变形。

在对实际工程的研究中，堆载引起邻近桥墩发生偏移，使桥梁桩基处于更加不利的状况^[5-6]，严重情况下造成桥梁结构发生严重损坏^[7-9]。为了更好地研究堆载下土体和桩基的力学特性，黄钰鑫^[10]研究了堆载在软土地基中的分散和传递规律。李飞^[11]在研究路堤堆载引起相邻土侧向变形效应中考虑了桩身几何条件、土层形式、荷载以及桩顶约束。在研究土体移动下被动桩的受力分析中胡建荣^[12]考虑了土弹簧。潘正中等^[13]依据桩基静载试验联合数值模拟，对软土地基中桩基静载试验承载力现有取值方法的不足进行了系统分析。于莹等^[14]利用数值模拟，分析了桩径、桩长、桩周土体黏聚力等因素对淤积土桥梁桩基承载能力的影响。Poulos等^[15-17]进行了试验模拟，研究了被动桩的力学特性。在对土体侧向位移分布形状的规律研究中，夏龙等^[18]发现土体侧向变形值与土堤宽度和软土厚度之比有关，桩基础和堆载土体的距离、堆载的施工速度以及堆载作用的时间也会对被动桩的水平受力和位移产生一定的影响。汪永林等^[19]对软基高填土路基桥台墩柱倾斜病害及处置方法进行了研究。袁名礼^[20]在论述堆载对桩基影响的基础上指出堆载作用下桩基础的设计。

因此研究堆载作用下桥梁桩基偏移及偏移处治对于实际工程来说至关重要，本研究以一座受堆载影响的高架桥为例，对高架桥桩基进行偏移和纠偏处治分析。

该高架桥全长5 453 m，跨径组合全桥共42联，其中第2，10，14联采用变截面预应力混凝土连续箱梁；第6，15，23，26，28联采用等截面预应力混凝土连续箱梁，其余联采用先简支后连续预应力混凝土小箱梁。下部结构变高段连续箱梁桥墩采用墙式墩，等高段连续箱梁桥墩采用柱式墩、盖梁柱式墩；桥墩基础采用钻孔灌注桩，桥梁典型横断面如图 1所示。

图 1 高架桥典型横断面(单位：cm) Fig. 1 Typical cross section of viaduct(unit: cm)

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桥梁相关部门在日常巡检养护中发现，该桥左幅55^#桥墩墩顶标线及护栏存在横向错位，该护栏位置错位量达到5.7 cm，且梁体位移明显；60^#桥墩墩顶处伸缩缝宽度超限，其最大位置宽度达到41.0 cm，桥墩偏移量见表 1。经对该桥桩基础的进一步检测，发现49^#桥墩至68^#桥墩桩基础横桥向偏移量最大达到了49.5 cm。

经现场调查，高架桥左侧10 m左右为堆土区域，堆土面积大约为170 m×750 m，堆土最高处高度约为15 m，具体如图 2所示。

图 2 桥梁与堆载的位置关系 Fig. 2 Position relation between bridge and surcharge load

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高架桥位于海积平原地质区，地势低平，场地水塘密布。从区域地质来看，场地上部分布厚度大于80 m的第四系松散沉积物，其中上部约25~30 m为软土(淤泥质土)，下部为粉质黏土。该淤泥质软土层天然含水率为44.30%~65.3%，压缩系数0.87~1.63 MPa^―1，孔隙比为1.58~2.05 MPa^―1，可知该软土层具有高含水率、高压缩性、低抗剪强度的工程特性。在堆载土体作用下，软土层发生显著的侧向挤出现象，从而产生较大的侧向推挤作用，使得桥墩桩基产生偏移，因桩与墩柱一体，故桥墩随桩基偏移方向偏移，致使桥墩挡块发生破坏，挡块挤压箱梁发生偏移。

设计单位采用的偏移处治方案为堆土卸载及应力释放、结构纠偏和群桩加固。

现场设计单位对桥梁左侧的垃圾场堆土进行整体卸载，卸载后垃圾场顶标高由10~15 m降至6~7 m，同时将垃圾场的坡度降至1∶10，以此来减小堆积土自重。再对桥梁边线外40~50 m的推土开始局部卸载，直至将堆土顶标高降至4 m(原地表)。为进一步有效释放土体侧向挤压应力，减小土体侧向变形对桩基的影响，在桩基左侧3.5 m处顺桥向增设4个直径为1 m的应力释放孔，钻孔深度为40 m；桩基横桥向增设11个直径为0.5 m的应力释放孔，深度为25 m。应力释放孔布设如图 3所示。

图 3 应力释放孔布置(单位：cm) Fig. 3 Layout of stress relief holes(unit: cm)

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原有桩基已发生了塑性破坏，且抗弯能力减弱，为保证桥墩下部结构的稳定和桥梁正常使用状态，对原桩采用对称形群桩加固设计，具体为在原桩基两侧3.5 m处各增设长度为66 m, 直径1.3 m的钻孔灌注桩，将原桩接系梁方案设计为群桩接承台方案，具体布置如图 4所示。

图 4 群桩承台(单位：cm) Fig. 4 Pile group bearing platform(unit: cm)

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为保障在纠偏过程中结构的安全，首先将地锚与左右幅系梁位置进行横向张拉预紧，并将左右幅系梁位置采用临时钢支撑来进行连接，达到桥墩横向加强的目的，横向临时加强装置如图 5(a)所示；其次在原支座的顶面增设滑道，以形成箱梁和支座间的临时滑移面(如图(b)所示)；最后在顺桥向桥墩和梁体设置反力架，通过千斤顶施力，借助临时滑移面，将桥墩向预期方向顶推纠偏，纵向反力架如图 5(c)所示。

图 5 结构纠偏装置(单位：cm) Fig. 5 Structure deviation correcting device(unit: cm)

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建立墩-桩-土相互作用的计算模型，如图 6所示。结合纠偏处治措施，模拟堆土卸载、对称形群桩加固后原桥梁桩基的状态，分析对称堆载引起的桩基偏移机理，同时验证纠偏措施的合理性和有效性。

图 6 计算模型 Fig. 6 Calculation model

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结合现场监测资料，取最不利状况，研究垃圾场堆载高度15 m时对61^#桥墩处桥梁桩基的影响。采用有限元软件MIDAS GTS NX 2021对61^#桥墩及周边地层进行三维实体模型分析。

数值模拟考虑时间的影响，采用固结计算，计算所用的土体参数选取临近钻孔地层资料作为土体参数。土体采用修正剑桥模型，桩、承台、墩、盖梁采用梁单元模拟，材料为线弹性材料，其中桩采用非弹性铰，以模拟桩的塑性屈服现象。并且采用桩-土界面模拟桩土间的相互作用以及滑移、脱开现象。桥址区内主要土层及特性见表 2。

建立9个模拟工况：S1成桥，堆载高度7 m；S2继续堆载，堆载高度至11 m；S3堆载高度至15 m后停止堆载；S4卸载；S5对称形群桩加固；S6加固后，固结1 a；S7加固后，固结2 a；S8加固后，固结5 a；S9加固后，固结10 a。结合垃圾场堆载与桥梁建设相对时间顺序，基于最不利情况，考虑堆载、卸载、加固，对该桥61^#桥墩桩基受堆载的影响进行综合分析，如图 7所示，得到以下几点结论。

图 7 加桩前后桩基各阶段内力和位移 Fig. 7 Internal force and displacement of pile foundation at various stages before and after adding piles

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从图 7可知，原桩基在成桥后，随着垃圾场的继续堆载，非对称的堆载致使桩基周围土层滑移，对桩基产生水平推力，引起桥梁桩基水平位移、剪力和弯矩的逐渐增大，且其速率在堆载高度达11 m逐渐降低，在堆载至15 m时达到最大。对垃圾场卸载后，水平位移、剪力和弯矩均有一定幅度降低。这主要是由于土体受垃圾卸荷作用下向垃圾堆侧滑移，桩身在土的侧向压力作用下回偏所致。垃圾卸载后引起土体向在整个堆载、卸载阶段，桩身轴力基本保持不变。堆载阶段至15 m时，弯矩、剪力曲线已出现拐点，位移曲线增长速率开始减缓，此时桩基已发生塑性变形，抗弯能力减弱，横桥向位移268.7 mm，剪力1 290.75 kN，弯矩6 497.2 kN·m，轴力5 757 kN。对堆载侧进行钻孔卸载处理后，原桩基位移恢复34.57 mm，占比12.8%，同时桩基剪力、弯矩均降低，分别减小13%，10.2%，卸载对轴力影响较小，仅降低2.5‰。以上说明对堆土进行卸载可在一定程度上改善原桩基受力状态，起到一定的纠偏作用。

停止堆载后，桥墩原有桩基已发生了塑性变形，抗弯能力减弱，为保证桥墩下部结构的稳定和桥梁正常使用状态，在原位桩两侧采用对称形群桩，对支承在软土层中的钻孔灌注群桩，按照单桩轴向受压承载力特征值计算得出桩长66 m，固结1 a、固结2 a、固结5 a和固结10 a，计算结果表明新桩顶横桥向位移增量分别为8.3，1.9，0.6 mm和0 mm；新桩桩身弯矩增量分别152.0，261.6，48.3，13.2 kN·m和0.2 kN·m，固结期间桩顶横桥向位移和桩身弯矩变化幅度较低。以上说明采用原桩两侧对称形群桩方案加固处理后，可一定程度上防止桥墩桩基发生偏移。加固处治前后桩基横桥向的位移及内力如图 8所示。

图 8 加固处治前后桩基横桥向位移和弯矩 Fig. 8 Transverse displacement and bending moment of pile foundation before and after reinforcement

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采用对称形群桩加固，根据数值分析结果，可以看到加固处治后，新桩桩基的剪力、水平位移、弯矩和轴力均保持较低的水平。结果表明对堆载进行卸载，并采用原桩两侧对称形群桩方案加固处理能够很大程度降低桩基偏移的影响，使桥墩恢复到正常使用状态，保障了桥梁整体结构的安全和稳定性。

为给受非对称堆载影响的桥梁纠偏提供支撑，以一座受非对称堆载影响的高架桥为背景，对偏移成因、偏移措施处治、有限元模拟进行分析，得出以下结论。

(1) 通过对某高架桥偏移概况和偏移原因进行分析，得出桥址地基土为软土地基，且软土层的含水量高，孔隙比大，地基承载能力低。桥位左侧为大型垃圾场，且该垃圾场范围长，面积大，堆积高，因施工期间在既有垃圾上进行填土，导致本区域的深层软土层产生较大的横桥向位移，从而对桩基产生横桥向推力，引起桥墩桩基偏移，桩基横桥向偏移量达26.8 cm，桩基已发生塑性变形，原桩抗弯能力减弱。

(2) 为保证桥墩承载能力和桥梁的安全，利用有限元软件MIDAS GTS NX对该桥61^#桥墩及周边地层进行三维实体建模，对桥梁桩基等9个工况进行数值模拟，通过分析发现，在堆载至8 m(总高度15 m)时桥墩桩基弯矩随位移的增长缓慢，此时桩基已发生了塑性变形，此时通过采取增设承台并在两侧增加桩基的加固方案，模拟了加固处理、固结1 a、固结2 a、固结5 a和固结10 a这5个工况，计算结果表明桩顶横桥向位移增量分别为14.27，8.27，1.86，0.56，0 mm，桩基弯矩分别为151.96，413.58，461.89，475.11，475.27 kN·m，桩基位移和内力均为低位，桩基处于弹性阶段，确保了桥梁桩基、墩柱的安全。

(3) 结合现场检测数据，钻孔卸压、开挖卸载、桥梁横向临时加强、桥墩纵向复位、承台加钻孔桩纠偏方案处治效果良好，可为其他同类工程提供详细的技术参考。