軟土地區(qū)鐵路橋梁墩臺滑移病害整治技術(shù)研究

李 濤

(中鐵上海設(shè)計院集團有限公司，上海 200070)

1 概述

寧啟鐵路位于江蘇省，經(jīng)過長江以北沖積平原，所處地區(qū)軟土覆蓋層較厚，易發(fā)生橋梁墩臺病害。2010年，在進行寧啟鐵路增建二線某中橋建設(shè)過程中，發(fā)現(xiàn)一側(cè)的既有線中橋出現(xiàn)梁縫減小甚至頂死、墩臺向河中心滑移、橋臺支座螺栓剪斷、個別支座脫空等病害，影響既有線列車運營安全，不得已對通過列車采取了限速45 km/h的臨時措施。按照上海鐵路局工務(wù)部門要求，中鐵上海設(shè)計院根據(jù)現(xiàn)場測試資料，對該橋的病害機理及發(fā)生原因進行了研究分析，并結(jié)合新建二線橋梁完成了整體治理加固設(shè)計，希望通過實施過程中的不斷調(diào)整優(yōu)化，為類似病害橋梁的整治加固提供借鑒參考。

2 既有線工程

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)

既有線中橋建成于2002年，全長62.42 m，線路垂線與河道交角 42°。橋位處線路為直線段，坡度4.3‰。上部結(jié)構(gòu)為3-16 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，圓柱面鋼支座。鋼筋混凝土圓柱形橋墩，直徑2.0 m。T形橋臺。墩臺基礎(chǔ)均采用φ0.8 m鉆孔灌注樁，持力層位于砂巖層。

新建二線中橋建成于2010年，與既有橋梁并行，線間距為9.5 m。全長61.47 m，直線平坡。為了與既有線橋墩對孔布置，上部結(jié)構(gòu)亦采用3-16 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，盆式橡膠支座。鋼筋混凝土圓柱形橋墩，直徑2.50 m。空心矩形橋臺。墩臺基礎(chǔ)均采用φ1.0 m鉆孔灌注樁。

2.2 臺后路基軟土處理

既有線橋梁臺后路基高5.5 m，臺后及橋臺錐體處地基軟土采用粉噴樁加固處理。樁間距1.1 m，直徑0.5 m，樁深8.5～14 m，粉噴樁打穿軟土底部0.2 m以上;新建二線橋梁臺后路基軟土地基以及橋臺錐體范圍內(nèi)地基也采用了水泥攪拌樁加固，樁徑0.5 m，樁間距1.0～1.3 m，樁長9～14.0 m。

2.3 橋址處地質(zhì)情況

地質(zhì)勘探資料揭示，橋址處30.0 m厚度內(nèi)為第四系全新統(tǒng)沖積黏性土、第三系上新統(tǒng)圓礫土以及白堊系泥質(zhì)砂巖。地面下約15 m范圍內(nèi)均為流塑狀淤泥質(zhì)黏土，承載力低，為典型的軟土地基。河道及岸坡穩(wěn)定性較差，稍遇外界干擾，即可發(fā)生岸坡滑移，造成橋梁病害。各土層特征分別見表1。

表1 地質(zhì)分層及相關(guān)設(shè)計參數(shù)

3 橋墩臺位移病害

2011年9月、2012年5月，上海鐵路局工務(wù)檢測部門對既有線橋墩臺的位移情況進行了2次檢測，并給出了鑒定評估意見。

3.1 外形觀測

(1)梁縫:全橋各孔間梁縫與竣工圖梁縫相比均明顯縮小。其中，0號臺前墻右側(cè)上緣與梁端頂死，梁端局部開裂;1號墩梁端上緣不規(guī)則頂緊;2號墩梁端上緣頂緊，橫隔板開裂;3號臺前墻左側(cè)與梁端頂緊，橫隔板開裂。

(2)支座:第一孔梁固定支座下板螺栓剪斷，下板松動、支座吊空，局部有平面內(nèi)扭轉(zhuǎn)。

(3)橋臺后路基:兩橋臺后路基沉降明顯，護錐與臺后路基已形成明顯臺階，護錐頂部破裂。

3.2 梁縫測量值

從2011年9月、2012年5月2次梁縫測量值比較(表2)看出，在不到1年的時間內(nèi)，既有線橋梁梁縫有不斷減小的趨勢。

表2 梁縫測量值 mm

3.3 墩臺位移量分析

根據(jù)支座下板縱向中心距測量結(jié)果，與理論設(shè)計值相對比，可推測墩臺水平變形情況，見表3及圖1。

表3 墩臺水平變形推測值

圖1 既有線橋墩橫向位移平面示意

由上看出，墩臺縱向位移為22～77 mm，已經(jīng)超出了鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的活載作用下容許值20 mm。橫向最大位移也達到110 mm，對線路平面影響較大，必須進行整治處理，確保行車安全。

4 病因分析

4.1 有關(guān)計算方法

根據(jù)已發(fā)生的墩臺頂實際位移病害，通過對路基－橋臺土體整體的最不利滑弧檢算和土壓力計算對比分析，確定臺背土壓力是控制荷載。對造成本橋墩臺過大位移的可能因素，如樁基持力土層約束作用、臺背土壓力計算參數(shù)選取、樁身水平土推力荷載等進行了計算研究。按照現(xiàn)行鐵路橋梁設(shè)計和檢定規(guī)范［1-2］及常用計算分析方法［3-4］，建立樁基計算模型，采用“m法”進行理論分析，探討各種因素影響的權(quán)重值。例如，對縱向位移值最大的0號橋臺，針對樁基持力層軟土經(jīng)粉噴樁實際加固后的不同效果，選取不同的側(cè)向地基比例系數(shù)進行模擬計算。最不利時完全不考慮側(cè)向土體的約束作用，按高樁承臺計算，分析樁身可能出現(xiàn)的自由端長度。

參照國內(nèi)對類似病害橋梁的分析資料［5-11］，分析時將目前橋梁設(shè)計規(guī)范中沒有明確規(guī)定的樁側(cè)土體水平推力作為外荷載計入，采用側(cè)壓力系數(shù)法計算［12］。該方法基于彈性半無限空間理論，考慮臺背路基填土自重對地基產(chǎn)生的附加豎向壓力，然后乘以相應(yīng)的側(cè)壓力系數(shù)，得到作用在樁側(cè)的附加水平側(cè)壓力(圖2)。其地面以下深度為z的附加水平側(cè)壓力為

式中，ξ為側(cè)壓力系數(shù);Ks為豎向壓力分布系數(shù);γh為路基填土容重;H為路基填土高。

圖2 臺背土壓力及樁側(cè)附加水平力計算示意

4.2 計算工況及分析

本次分析共采用了4種計算工況，將所得計算結(jié)果與實際測量值進行對比，判斷可能發(fā)生的最大影響因素。表4為各計算工況組成情況，表5為0號臺頂水平位移計算結(jié)果。

表4 計算工況

表5 0號橋臺臺頂位移計算值

從表5中看出，工況4情況下，即不考慮地面下7.5 m范圍內(nèi)的約束作用時(假定自由樁長 l0=7.5 m)，臺頂位移達到74.4 mm，與實測最大值77 mm比較接近，說明樁基持力層土體的約束作用極弱，是引起墩臺位移較大變形的主要原因。計算結(jié)果還表明，此時樁身混凝土應(yīng)力最大8.7 MPa，鋼筋應(yīng)力最大148.7 MPa，均在設(shè)計規(guī)范允許范圍內(nèi)，可以推斷結(jié)構(gòu)尚未出現(xiàn)大變形和損害。

根據(jù)上述實測及分析結(jié)果，可以初步判斷本橋病害原因是由于地基軟弱，在臺背土推力或其他外界因素的作用下，原有土體的相對平衡失穩(wěn)，導(dǎo)致河岸兩側(cè)土體向河中心處緩慢滑移，推動橋臺及橋墩水平變形所致。因線路與河流斜交，故墩臺同時發(fā)生縱向及橫向位移?，F(xiàn)場調(diào)查還表明，在新建橋梁施工前，既有線橋墩臺已發(fā)生滑移，而新建橋施工時又擾動了周圍土體，加劇了河道的滑移趨勢。由于兩橋相距較近，共處于一個整體的滑移帶內(nèi)，故新建橋梁也發(fā)生了墩臺的滑移，應(yīng)采用針對性的方法進行整體治理。

5 整治加固工程

5.1 橋梁加固方案

對既有線、新建二線的橋墩基礎(chǔ)均采用“縱向頂撐，橫向限位”的加固原則，阻止其繼續(xù)位移。同時采用頂推等方法，將已經(jīng)產(chǎn)生滑移的墩臺盡量復(fù)位，恢復(fù)原有梁縫，滿足橋梁上部結(jié)構(gòu)的伸縮功能要求。

具體做法是，加固橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和周邊土體，固定墩臺以防止其繼續(xù)滑移;對臺后土體進行減載，減小水平推力，并通過頂推復(fù)位或結(jié)構(gòu)整治，恢復(fù)梁縫，必要時采用鏈鋸鋸除橋臺部分胸墻，滿足列車運營時所需要的梁縫要求;更換支座，保證結(jié)構(gòu)受力正常及安全。對結(jié)構(gòu)的加固方法，考慮了以下3個設(shè)計方案。

方案一，墩臺之間設(shè)置縱向水平系梁，在承臺處形成強大的水平支撐，提高墩臺的水平抗推剛度，效果最好，可有效阻止其繼續(xù)滑移。

方案二，在原墩臺基礎(chǔ)上增加新樁，加大基礎(chǔ)抗推剛度，抵抗水平位移。同時在橋臺及橋墩靠近河心側(cè)采用高壓旋噴樁加固軟土層，提高土體的側(cè)向承載力。

方案三，對橋位處河床進行高壓旋噴樁地基加固，全橋范圍內(nèi)加固軟土層，整體性改變軟土地基的性質(zhì)，阻止滑移的繼續(xù)發(fā)展。

經(jīng)比選，方案一具有效果明確、對建成橋墩的影響小、施工難度小以及工程投資較省等優(yōu)越性，推薦采用。

5.2 加固設(shè)計要點

(1)縱向頂撐

既有線橋、新建二線橋梁各墩臺之間設(shè)置2道100 cm×100 cm鋼筋混凝土縱向水平系梁，保證各墩臺之間不再發(fā)生相對位移，進而限制墩臺的繼續(xù)滑移。在系梁下設(shè)φ80 cm鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，平衡系梁受力時可能產(chǎn)生的豎向上拔力。系梁之間加設(shè)100 cm×100 cm鋼筋混凝土橫梁，保證共同受力，詳見圖3。

圖3 既有橋加固設(shè)計示意(單位:cm)

(2)橫向限位

在既有橋3號橋臺、新建橋0號橋臺外側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土承臺，承臺下為φ100 cm鉆孔樁，限制可能繼續(xù)發(fā)生的橋臺橫向位移。

(3)臺后應(yīng)力釋放

橋臺后土體卸載、結(jié)構(gòu)恢復(fù)就位過程中，可在臺后施打2排φ60 cm應(yīng)力釋放孔，孔間距1 m，按正方形布置。此項措施是為釋放臺后地基中的應(yīng)力，幫助橋臺復(fù)位。橋臺復(fù)位后，在鉆孔內(nèi)填充輕質(zhì)混凝土。

(4)橋墩包箍

增加既有橋橋墩截面，提高墩身橫向剛度。采用橋墩植筋、并在原墩身包箍鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外層的方法，將橋墩直徑加大至2.5 m。

(5)橋臺補強

在橋臺復(fù)位時，如果梁縫恢復(fù)達不到標(biāo)準(zhǔn)要求，則應(yīng)鋸除橋臺部分胸墻，保證必須的梁縫，并根據(jù)受力要求在相關(guān)部位采用植筋、澆筑鋼筋混凝土的方式進行結(jié)構(gòu)補償。

6 結(jié)語

(1)本橋墩臺滑動方向基本指向河中心，位移較大，為典型的軟土地區(qū)橋梁基礎(chǔ)滑移病害，必須進行整治處理以確保列車運營安全。

(2)理論分析表明，墩臺樁基持力層土體的約束作用極弱，是引起墩臺位移變形病害的主要原因，外界施工干擾則進一步加劇了病害發(fā)展。分析計算時采用自由樁長的假定能夠較好說明實際病害情況。

(3)提出的“縱向頂撐、橫向限位”設(shè)計思路具有較強針對性，實施中采用了墩臺之間設(shè)置水平系梁、橋臺外側(cè)設(shè)置橫向限位樁、臺后地基鉆孔釋放應(yīng)力等整治和施工方法。

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