庫區(qū)高填方橋梁墩臺(tái)位移病害及處治研究

張 濤，甘 軍，2

(1.杭州市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督局，杭州 310014;2.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

橋臺(tái)是連接橋梁與路基的重要部位，也是橋梁的重要受力構(gòu)件，橋臺(tái)失穩(wěn)破壞將對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)造成極大影響。蘇謙等［1］研究了地震作用下橋臺(tái)破壞特點(diǎn)，考慮土體強(qiáng)度衰減效應(yīng)對(duì)橋臺(tái)穩(wěn)定性的影響，將橋臺(tái)—土體地震動(dòng)力響應(yīng)分析與Newmark有限滑移計(jì)算方法相耦合，提出橋臺(tái)滑移計(jì)算公式。林德明［2］分析了軟土地基橋臺(tái)位移及穩(wěn)定性的影響因素，從改善地基、減輕荷載和平衡荷載三方面介紹了預(yù)防橋臺(tái)位移的措施。陳睿等［3］分析了軟土地基樁基橋臺(tái)由于軟土地基塑性流動(dòng)出現(xiàn)位移的原因，并介紹了幾種防治方法，提出了施工中應(yīng)注意的事項(xiàng)。楊玲燕等［4］分析樁柱式橋臺(tái)樁基與軟土地基的相互作用，以及軟土地基橋臺(tái)后填土對(duì)樁基產(chǎn)生的樁側(cè)土抗力，分析由此導(dǎo)致的橋臺(tái)位移以及防治措施。

但是對(duì)于庫區(qū)高填方地基橋臺(tái)位移及其病害處治尚缺乏針對(duì)性研究。本文結(jié)合某工程實(shí)際，通過數(shù)值計(jì)算及理論分析，研究庫區(qū)高填方地基橋臺(tái)-土體的破壞機(jī)制，及其病害處治方法。

1 工程概況

某庫區(qū)公路簡(jiǎn)支橋梁，5跨20 m空心板梁橋，橋面連續(xù)，橋?qū)?2 m，橋梁縱坡1%。橋墩采用樁柱接蓋梁形式，墩身直徑1.3m，樁基直徑1.5m，樁基均嵌入弱風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖不小于5 m。常水位98.0 m，最高通航水位108.0 m(圖1)。

圖1 工程概況

原始地面高程為87 m，橋臺(tái)高填土分層碾壓密實(shí)至設(shè)計(jì)回填高程103 m，待土體穩(wěn)定密實(shí)后進(jìn)行墩臺(tái)樁基施工。施工期間，1號(hào)、4號(hào)橋墩立柱在未架梁前發(fā)生向河側(cè)傾斜現(xiàn)象，且樁柱結(jié)合處均出現(xiàn)了環(huán)向裂縫，于是進(jìn)行了加固措施:

(1)對(duì)1號(hào)、4號(hào)橋墩的蓋梁、立柱進(jìn)行鑿除，重新澆筑。

(2)在1號(hào)和2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)橋墩下系梁處分別設(shè)置米字型框架進(jìn)行連接。

該橋通車一年后，出現(xiàn)了如下病害:

(1)5號(hào)橋臺(tái)兩側(cè)擋塊位置出現(xiàn)了一道45°的貫穿斜裂縫，一直通至背墻，裂縫寬度約4 mm。

(2)橋臺(tái)蓋梁北側(cè)在距肋身內(nèi)側(cè)約1 m的位置出現(xiàn)了一道細(xì)裂縫。

(3)伸縮縫型鋼間隙變小。

2 病害原因分析

2.1 數(shù)值計(jì)算

采用MIDAS空間有限元單元計(jì)算軟件，將蓋梁、肋身、承臺(tái)及樁基離散為四部分的有限單元模型，地基樁側(cè)土符合溫克爾離散線性彈簧模型，利用“m”法將地基樁側(cè)反力模擬具有一定剛度的彈性支撐，建立側(cè)向支撐彈簧，計(jì)算模型如圖2所示。分別按照兩種計(jì)算假定情況進(jìn)行計(jì)算:(1)橋臺(tái)后填土為穩(wěn)定土體(填土的沉降及水平位移已經(jīng)穩(wěn)定);(2)橋臺(tái)后填土未穩(wěn)定(填土處于持續(xù)發(fā)生沉降及水平位移的狀態(tài))。

2.1.1 橋臺(tái)填土為穩(wěn)定土體

假設(shè)橋臺(tái)后填土的沉降和水平位移已經(jīng)穩(wěn)定，填土作為外力加載于模型上，采用庫侖土壓力理論進(jìn)行計(jì)算。填土重度γ=18 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=30o，粘聚力c=0，臺(tái)背肋身豎直，填土與臺(tái)背肋身的摩擦角δ取為φ/2=15o。

橋臺(tái)后填土施工要求第一次回填到達(dá)103 m高程，在填土密實(shí)、穩(wěn)定后施工橋臺(tái)樁基，橋臺(tái)施工完畢后進(jìn)行二次回填至112m高程。土體單側(cè)土壓力從103 m起算。

(1)計(jì)算結(jié)果

順橋向位移在蓋梁頂達(dá)到最大水平位移(圖3)0.7 cm?，F(xiàn)《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D61-2005)對(duì)水平位移量無要求，根據(jù)原《公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ022-85)［5］要求，墩臺(tái)頂面水平位移量Δ≤0.5L1/2=2.5 cm，因此對(duì)新老規(guī)范來說位移量均滿足要求。

(2)結(jié)構(gòu)受力情況

耳背墻及抗塊:臺(tái)頂位移量僅7 mm，橋臺(tái)背墻不承受梁板反力，橋臺(tái)背墻在臺(tái)后土壓力作用下承載能力滿足要求。

蓋梁:蓋梁在肋身頂面位置抵抗負(fù)彎矩的鋼筋抗彎承載能力滿足要求，豎向抗剪亦滿足承載能力要求。

樁基:樁身土中最大彎矩值M為1300 kN.m，而樁基的抗彎承載能力R(M)=1800 kN.m，滿足承載能力要求。

2.1.2 橋臺(tái)填土為非穩(wěn)定土體

假設(shè)橋臺(tái)后回填土體為非穩(wěn)定土體，采用朗金主動(dòng)土壓力進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算從原始地面線約87 m高程開始計(jì)算單側(cè)主動(dòng)土壓力。臺(tái)背肋身豎直光滑，填土重度γ=18 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=30o，粘聚力c=0。

計(jì)算結(jié)果:

(1)順橋向位移如圖4所示，在蓋梁頂達(dá)到最大水平位移，臺(tái)頂位移達(dá)192 mm。

(2)結(jié)構(gòu)受力情況:

根據(jù)背墻和梁板發(fā)生頂觸的實(shí)際情況，在背墻位置處設(shè)置水平約束，分析結(jié)構(gòu)受力，計(jì)算結(jié)果如下:

橋臺(tái)頂部背墻處水平推力F=3300 kN。

橋臺(tái)頂部背墻處彎矩值約M=1980 kN.m

橋臺(tái)蓋梁水平剪力Q=1320 kN

橋臺(tái)蓋梁水平彎矩M1=1190 kN.m

橋臺(tái)頂部背墻處抗剪刀承載能力R(F)=4300 kN

橋臺(tái)頂部背墻處抗彎承載能力R(M)=620 kN.m

蓋梁抗剪承載能力R(Q)=2030 kN

蓋梁抗彎承載能力R(M1)=520 kN.m

2.1.3 橋臺(tái)位移病害原因分析

(1)橋臺(tái)位移計(jì)算結(jié)果表明，若臺(tái)后土體處于非穩(wěn)定狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致橋臺(tái)承受臺(tái)后土壓力而發(fā)生明顯的水平位移。如果無外力約束條件，水平位移將達(dá)到192 mm，該位移已經(jīng)超過伸縮縫型鋼寬度。

現(xiàn)場(chǎng)橋臺(tái)背墻已與梁板頂觸，反映橋臺(tái)背墻發(fā)生了明顯的水平位移，只是在梁板的約束下其水平位移才未繼續(xù)發(fā)展，實(shí)際情況與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相吻合，證明樁基及橋臺(tái)施工時(shí)高填方地基尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算結(jié)果表明，R(M)＜M，背墻彎矩值已經(jīng)超過其抗彎承載能力，在背墻與蓋梁交界處即L型的凹角位置已開裂;R(Q)＞Q，蓋梁抗剪承載能力仍能滿足，蓋梁在肋身附近，R(M1)＜M1水平彎矩過大，超過了其抗彎承載能力，出現(xiàn)豎向裂縫。計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)開裂情況相吻合。

(3)綜合模擬計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)病害情況，橋臺(tái)位移病害的主要原因如下:

①設(shè)計(jì)單位未考慮到庫區(qū)高填方施工難度大，尤其在工程工期緊張的條件下難以保證土體達(dá)到理想的穩(wěn)定狀態(tài)，也未考慮水位變化對(duì)土體穩(wěn)定性的不利影響，沒有提高橋臺(tái)和樁基的安全系數(shù)。

②設(shè)計(jì)單位未對(duì)高填方施工，提出針對(duì)性的沉降和位移觀測(cè)方案和技術(shù)要求。

③施工單位在高填方施工中，未針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鄰水高填方制定有效的質(zhì)量控制措施，路基填筑施工中填料繼配、填筑層厚等控制不嚴(yán)格;同時(shí)未對(duì)填方地基進(jìn)行沉降和位移觀測(cè)，在尚未確定高填方地基是否已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的穩(wěn)定狀態(tài)的情況下，就進(jìn)行了后續(xù)的樁基和橋臺(tái)施工。

3 病害處治方案及實(shí)踐結(jié)果

3.1 病害處治方案及工藝

處治方案:在橋臺(tái)后路基上交錯(cuò)布置11根直徑1.2 m的樁基，形成一道擋土結(jié)構(gòu)。

施工工藝:在5號(hào)橋臺(tái)后路基側(cè)，采用旋挖鉆機(jī)，先進(jìn)行半幅的樁基施工，另半幅進(jìn)行通車。待完成半幅施工及路面層的施工后，封閉另側(cè)半幅路基施工樁基，利用施工完成的半幅進(jìn)行通車。采用1.2 m的基樁交錯(cuò)布置，兩側(cè)分別各布置5根和6根，合計(jì)11根。

其它病害處理:針對(duì)砼裂縫開裂的情況，采用裂縫灌漿工藝對(duì)其進(jìn)行封閉，然后在裂縫表面采用鋼板進(jìn)行粘貼加固(圖5)。

3.2 病害處治結(jié)果

經(jīng)建設(shè)單位委托第三方檢測(cè)單位對(duì)該橋?yàn)槠诎肽甑谋O(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，臺(tái)后路基沉降已趨于穩(wěn)定，橋臺(tái)裂縫基本沒有發(fā)展，伸縮縫型鋼無明顯繼續(xù)擠壓趨勢(shì)，縱橋向位移趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論及建議

從該橋的質(zhì)量事故分析，建議今后對(duì)橋墩臺(tái)樁基有高填土的工程，應(yīng)注意以下問題:

(1)庫區(qū)公路橋梁設(shè)計(jì)中，尤其是對(duì)于水深比較大、水位變化比較大的路段，應(yīng)優(yōu)化橋跨布置，降低橋臺(tái)處填方地基高度，避免高填地基土體穩(wěn)定性不足引起的水平推力對(duì)橋臺(tái)的影響。如果受條件制約，橋臺(tái)位置無法調(diào)整且填方地基較高的情況，設(shè)計(jì)需明確具體的位移和沉降觀測(cè)要求，給出明確的土體穩(wěn)定指標(biāo)，并應(yīng)考慮水位變化等引起土體穩(wěn)定性的不利影響，提高橋臺(tái)和樁基的安全系數(shù)。

(2)庫區(qū)道路橋梁橋臺(tái)高填方地基施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)施工組織設(shè)計(jì)，首先選擇合理的施工時(shí)間，安排在枯水位時(shí)施工，避免高水位時(shí)填筑;其次要嚴(yán)格控制填料的粒徑和級(jí)配，填層厚度和壓實(shí)工藝;最后，施工中必須進(jìn)行地基沉降和位移觀測(cè)，待確認(rèn)地基土體穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求后，方可進(jìn)行后續(xù)樁基等施工。

[1]蘇 謙，鐘 彪，白 皓，等.基于滑坡破壞模式的橋臺(tái)位移耦合計(jì)算[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010，43：567-572.

[2]林德明.軟基橋臺(tái)位移病害分析及預(yù)防措施[J].山西建筑，2004，30(10)：122-123.

[3]陳 睿，何少鋒，吳 杰.軟土地基下樁基橋臺(tái)位移病害及防治[J].山西建筑，2008(11)：122-123.

[4]楊玲燕，殷培南，楊仲元.軟土地基樁柱式橋臺(tái)位移影響及防治措施[J].浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006(3)：21-24.

[5]JTJ022-85，公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].