軟土地基橋梁病害與加固技術(shù)

王錦榮

（安徽省休寧縣縣鄉(xiāng)公路管理所，安徽 休寧 245400）

0 引言

我國(guó)在軟土理論研究上已有數(shù)十年歷史，對(duì)軟土的物理力學(xué)性質(zhì)有了基本了解。對(duì)于橋梁工程，更多的是關(guān)注于樁基強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求等，而往往忽視臺(tái)后填土，特別是臺(tái)身較高的橋臺(tái)填土對(duì)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響。在實(shí)際工程中，與之相關(guān)的工程病害時(shí)有發(fā)生，確實(shí)值得深思和探討。本文結(jié)合軟土條件下橋梁整體結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，分析病害的成因，并對(duì)加固設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了介紹，為同類(lèi)問(wèn)題的橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程簡(jiǎn)況

皖南山區(qū)某橋跨徑組成為：5×16m，上部采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)的先張預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，下部采用鋼筋混凝土圓形雙柱墩，兩岸橋臺(tái)均為肋板式橋臺(tái)，每座橋臺(tái)兩片肋，肋厚度80cm，0＃臺(tái)臺(tái)高為7m（至臺(tái)帽頂），5＃臺(tái)臺(tái)高為8m（至臺(tái)帽頂）。

2 主要病害

本橋施工過(guò)程中，在橋臺(tái)臺(tái)背填土?xí)r發(fā)現(xiàn)臺(tái)帽沿道路中心線(xiàn)向左、右兩側(cè)分離，左、右幅橋臺(tái)肋板出現(xiàn)水平裂紋。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況，該橋存在主要病害如下：

（1）橋梁墩臺(tái)支座均發(fā)生不同程度的剪切變形，其中以橋臺(tái)支座變形最為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在支座剪切變形量大，防震錨栓被拔出。支座剪切變形的最大角度超過(guò)350，剪切位移量超過(guò)2.9cm。

（2）橋墩墩柱側(cè)面出現(xiàn)水平裂縫，裂縫大部分都位于地面以上2m范圍內(nèi)，最長(zhǎng)裂至圓柱半個(gè)周長(zhǎng)，裂縫寬度在0.1mm～0.25mm范圍內(nèi)，個(gè)別達(dá)到0.3mm，并且裂縫呈現(xiàn)兩端窄、中間寬的形態(tài)。其中1?！?8＃墩裂縫發(fā)生在大樁號(hào)側(cè)半圓柱面，而48＃墩裂縫發(fā)生在小樁號(hào)側(cè)半圓柱面。

（3）橋墩豎直度檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)6根墩柱縱向豎直度超出評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)允許值，最大豎直度達(dá)到0.4%；共4根墩柱橫向豎直度超出評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)允許值，最大豎直度達(dá)到0.4%。一方面，該偏差應(yīng)為施工誤差產(chǎn)生，另一方面，可以推斷橋墩墩頂發(fā)生了縱、橫向變位。1＃、2＃、3＃橋墩橫向變位均表現(xiàn)為方向向左，4＃橋墩則大部分表現(xiàn)為方向向右；1＃、2＃、3＃橋墩墩頂縱橋向變位表現(xiàn)為方向向0＃橋臺(tái)，4＃橋墩墩頂表現(xiàn)為方向向5＃橋臺(tái)，從變位情況所判定的墩柱受力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的病害基本吻合。

（4）橋臺(tái)混凝土肋板出現(xiàn)橫向的水平裂縫，尤其以5＃橋臺(tái)最為嚴(yán)重。裂縫分布及形態(tài)主要表現(xiàn)為由每片肋板左、右側(cè)面開(kāi)始延展至肋板臺(tái)前立面，并在肋板臺(tái)前立面中部會(huì)合，裂縫寬度表現(xiàn)出兩側(cè)面裂縫起始處寬，至肋板臺(tái)前立面會(huì)合處最窄的規(guī)律。同時(shí)，從左幅右側(cè)肋和右幅左側(cè)肋臺(tái)前立面可見(jiàn)裂縫左側(cè)寬、右側(cè)窄，最大裂縫寬度有5mm，最大裂縫長(zhǎng)度貫通整個(gè)肋板的橫斷面。

（5）通過(guò)橋梁長(zhǎng)度以及橋臺(tái)縱向、高差及橫向的變位測(cè)量結(jié)合目前橋梁所發(fā)生的病害情況可以推斷，本橋橋臺(tái)已經(jīng)發(fā)生變位，主要體現(xiàn)在橋臺(tái)的縱向移位、傾斜以及基礎(chǔ)的不均勻下沉。

3 橋臺(tái)變位計(jì)算

通過(guò)橋臺(tái)變位計(jì)算分析，總結(jié)了在橋臺(tái)臺(tái)后土壓力作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形趨勢(shì)。材料參數(shù)嚴(yán)格按原施工圖設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行取值。

施工階段簡(jiǎn)化為3種工況：

工況一：橋臺(tái)施工完畢，未架梁；

工況二：上部架梁，僅考慮上部豎向力；

工況三：上部架梁，考慮上部豎向力和支座摩阻力。

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，橋臺(tái)在臺(tái)后土壓力等外荷載的作用下發(fā)生了縱向變形，由于上部主梁通過(guò)支座對(duì)橋臺(tái)有約束作用，導(dǎo)致肋身在臺(tái)帽底以下2m處發(fā)生了較大彎矩，與肋身出現(xiàn)的最大水平裂縫位置基本一致。

4 病害成因分析

本橋橋址處于軟弱地基，地質(zhì)條件較差，受軟基蠕變的影響，臺(tái)后路基填土豎向力及主動(dòng)土壓力作用下引起軟基塑形流動(dòng)及軟基壓密下沉，從而使橋臺(tái)向河心方向變位。橋臺(tái)通過(guò)防震錨栓和支座帶動(dòng)主梁變位，但橋臺(tái)變位大于主梁變位，因而使橋臺(tái)支座發(fā)生朝河岸方向的剪切變形。主梁通過(guò)防震錨栓和支座帶動(dòng)橋墩變位的同時(shí)，橋墩亦受軟基蠕動(dòng)影響發(fā)生變位，造成墩頂支座剪切變形。承臺(tái)以下基礎(chǔ)部分在土彈簧作用下形成一定的水平約束，橋臺(tái)臺(tái)身形成“弓弦狀”受力狀態(tài)，加上不均勻沉降因素的影響，臺(tái)身肋板混凝土產(chǎn)生開(kāi)裂。同上述原因，橋梁墩柱墩底一定范圍內(nèi)，也產(chǎn)生較大的彎矩和應(yīng)力，造成墩柱混凝土開(kāi)裂。

5 加固設(shè)計(jì)方案

目前橋梁所反映的病害已對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成了較大的威脅，影響了后續(xù)施工及正常運(yùn)營(yíng)使用的要求。因此，應(yīng)及時(shí)對(duì)橋梁的病害進(jìn)行維修處治，消除橋梁的安全隱患。根據(jù)結(jié)構(gòu)存在的病害及實(shí)際受力狀況，提出以下4種方案供參考。

5.1 方案一：對(duì)原橋?qū)嵤┘庸烫幚?/h3>

（1）針對(duì)橋臺(tái)肋板出現(xiàn)的開(kāi)裂情況，采用對(duì)該橋臺(tái)拆除重建的方案。新建橋臺(tái)基礎(chǔ)采用砂性土填高3m，再構(gòu)筑新橋臺(tái)。新建橋臺(tái)臺(tái)高（臺(tái)帽頂至承臺(tái)底）較原橋臺(tái)臺(tái)高由8m降低至5m，同時(shí)增加橋臺(tái)肋板截面尺寸，采用4根1.2m的樁基礎(chǔ)以承擔(dān)樁頂反力。

（2）對(duì)橋墩墩柱混凝土裂縫分布的區(qū)域、整體進(jìn)行高壓水槍沖洗至豎向主筋外露，并采用增設(shè)鋼筋與原豎向主筋幫焊，幫焊后重新澆注聚合物混凝土進(jìn)行修復(fù)以提高橋墩墩柱承載力。在每座橋墩樁基縱向前后共增加4根樁基礎(chǔ)，新增樁基形成后，利用原樁基樁頭與系梁通過(guò)植筋、布置受力鋼筋、澆注混凝土構(gòu)筑樁基承臺(tái)。

（3）對(duì)0＃橋臺(tái)肋板采用外包混凝土的方法進(jìn)行處治，處治范圍為每道肋板臺(tái)帽底至承臺(tái)頂?shù)恼麄€(gè)臺(tái)身。在每座肋臺(tái)基底縱向前、后共增加4根樁基礎(chǔ)，新增樁基形成后，再接長(zhǎng)、加寬原樁基承臺(tái)。

（4）針對(duì)本橋支座剪切變形的病害，采用更換支座的方式進(jìn)行處治。

（5）針對(duì)橋臺(tái)周邊的軟基，采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁進(jìn)行處治。

方案優(yōu)點(diǎn)：

（1）通過(guò)對(duì)受損墩臺(tái)構(gòu)件進(jìn)行重建或加固，提高了橋梁自身的剛度及承載能力，增加了橋梁抵抗因臺(tái)后軟土地基造成的不利影響。

（2）針對(duì)既有病害進(jìn)行處治，基本解決了軟土地質(zhì)情況對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生的不利影響。增設(shè)橋、墩臺(tái)樁基后，承載力有較大程度提高，增加了安全儲(chǔ)備。

（3）施工周期短，橋梁大部分構(gòu)件能夠利用，避免浪費(fèi)，降低造價(jià)。

方案缺點(diǎn)：

（1）由于橋臺(tái)基礎(chǔ)仍處于軟土地基，外因沒(méi)有得到根治，橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)存在發(fā)生病害的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

（2）施工工序復(fù)雜。

5.2 方案二：延長(zhǎng)橋長(zhǎng)，降低臺(tái)高

由于本橋5＃橋臺(tái)處于軟土地基范圍內(nèi)，病害較為嚴(yán)重，擬采用將5＃臺(tái)后208m長(zhǎng)路基改成橋梁方案，即在原橋的基礎(chǔ)上，增加跨徑13m×16m的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板。

方案優(yōu)點(diǎn)：

（1）延長(zhǎng)橋孔后，橋臺(tái)高度降低，臺(tái)后土壓力減小且避開(kāi)了臺(tái)后軟土地質(zhì)的不良影響，徹底根治了5＃橋臺(tái)存在的病害。

（2）對(duì)原橋加以利用，避免浪費(fèi)。

方案缺點(diǎn)：

（1）該方案相比方案一造價(jià)高，施工周期長(zhǎng)。

（2）原橋仍需加固，施工工序復(fù)雜。

（3）0＃橋臺(tái)填土高度仍然很高，后期運(yùn)營(yíng)時(shí)仍存在發(fā)生病害的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

5.3 方案三：調(diào)整路線(xiàn)高度，橋梁高度隨之降低

由于原路線(xiàn)線(xiàn)位較高，擬采用對(duì)橋址處原路線(xiàn)2km范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)高程進(jìn)行調(diào)整，按照降低路線(xiàn)設(shè)計(jì)高度約2.5m的原則重新擬定縱坡，以降低橋梁高度。

方案優(yōu)點(diǎn)：

（1）降低橋址所在區(qū)段的路線(xiàn)設(shè)計(jì)高度，大大降低了橋臺(tái)的高度，且避開(kāi)了臺(tái)后軟土地質(zhì)的不良影響，徹底根治了橋梁病害。

（2）橋梁病害得到根治，徹底排除了安全隱患。方案缺點(diǎn)：

（1）該方案相比方案一造價(jià)高，施工周期最長(zhǎng)。

（2）對(duì)現(xiàn)有構(gòu)造物影響最大。

5.4 方案四：墩臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)置支撐梁

在橋墩、臺(tái)基礎(chǔ)處采取措施，利用在基礎(chǔ)處產(chǎn)生的阻力來(lái)抵消橋臺(tái)的水平力。根據(jù)此加固設(shè)計(jì)思路，擬采用對(duì)橋、墩臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)置支撐梁，即在墩臺(tái)及墩承臺(tái)處設(shè)置支撐梁，直接抵抗水平推力，同時(shí)采取其他適當(dāng)?shù)氖┕し椒ㄏ嗯浜?，如重新填筑臺(tái)后填土應(yīng)控制施工速度，采取合理的施工順序等。

方案優(yōu)點(diǎn)：

（1）防止了橋墩、臺(tái)進(jìn)一步滑動(dòng)，增強(qiáng)了橋墩、臺(tái)的穩(wěn)定性，有效地抑制了橋臺(tái)的前移。

（2）原結(jié)構(gòu)基本得到利用，造價(jià)相對(duì)較低。

方案缺點(diǎn)：

（1）對(duì)于原橋已經(jīng)出現(xiàn)的墩臺(tái)移位情況難以實(shí)現(xiàn)有效糾偏。

（2）橋臺(tái)基礎(chǔ)仍處于軟土地基，外因沒(méi)有得到根治，橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)存在發(fā)生病害的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)論與建議

本文從位于軟土地基的某橋梁病害著手，通過(guò)病害發(fā)展趨勢(shì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算分析總結(jié)橋梁結(jié)構(gòu)的病害成因，從外因判斷與臺(tái)身較高、臺(tái)后土壓力較大以及施工填土速率相關(guān)，從內(nèi)因判斷應(yīng)為軟土地基下受軟基蠕變影響、橋位處軟基塑性流動(dòng)及軟基壓密下沉有關(guān)。據(jù)此病害成因，本文提出4種切實(shí)可行的加固設(shè)計(jì)方案，可供同行參考。

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