橋梁基礎沖刷懸空病害成因分析與防治

孔維波

摘 要 地下連續(xù)墻已開始在橋梁基礎中采用，超大的沉井也已經出現并順利設置或下沉。這一切都標志著，橋梁基礎工程技術已取得了很大的發(fā)展。

關鍵詞 橋梁基礎 基礎工程 工程技術 病害成因 防治措施

近年來，國內修建了不少跨越大江大河甚至跨越海灣的深水基礎、復合基礎，均得到較廣泛的采用，地下連續(xù)墻已開始在橋梁基礎中采用，超大的沉井也已經出現并順利設置或下沉。這一切都標志著，橋梁基礎工程技術已取得了很大的發(fā)展。

本文按基礎的主要類型進行介紹。

一、深水基礎

基礎尤其是大跨徑橋梁的深水基礎，往往需要解決施工技術上的許多難點，也往往是控制整個橋梁工程進度的關鍵工程，其費用也占橋梁總造價相當大的比重。

1.大直徑鋼管樁、柱。大直徑鋼管樁用作摩擦樁，經歷兩個階段：初期一般在管內澆筑砼，以防止鋼管的銹蝕。這樣做也會帶來一些不利影響：需在管內取土，而對提高樁的承載能力作用不大；增大了樁的剛度，在地震時使樁頂受力增大；增加了施工難度與造價。

以后逐漸傾向于管內不填砼，由于管內土存在閉塞效應，因此鋼管樁的承載能力比鋼管外壁土壤摩阻力要增大不少。而閉塞效應的機理目前還不很清楚，因此往往通過靜載試驗來確定其承載力。具體實例如，日本跨徑240 m的濱名大橋每主墩采用49根直徑1.6 m鋼管樁，組成水上承臺。

在沖刷深、覆蓋層較薄時，往往將鋼管樁沉至巖面鉆孔嵌巖，成為管柱基礎。這時往往用砼填實。如日本主跨為220 m及185 m的內海大橋，水中四個深水墩均采用直徑2 m的鋼管柱基礎。

2.大直徑鉆孔灌注樁。大直徑灌注樁具有承載力大、剛度大、施工快、造價省的優(yōu)點。國內外很多采用直徑2 m～4 m的大直徑鉆孔樁；而且往往采用擴孔方法，直徑可達3 m～4 m，而在日本橫濱橫斷大橋跨徑460 m的鋼斜拉橋的基礎上，將多柱基礎嵌巖擴孔至直徑10 m，是目前世界最大的嵌巖直徑。

在連續(xù)結構，尤其是連拱或連續(xù)斜拉橋設計中，剛度起關鍵作用，以減少下部構造的水平位移，減少由此引起的附加內力。這時樁基水平向承載力不控制設計，而是剛度控制設計，大直徑灌注樁具有非常明顯的優(yōu)勢。

3.沉井。沉井基礎承載能力大，剛度大，可以適用于深水，但體積龐大，隨著樁基的廣泛采用，沉井的應用范圍有所減少。不過在特大跨徑的橋梁中，沉井仍為主要基礎形式之一。在大跨徑橋梁的深水基礎上，底節(jié)多采用浮式鋼殼沉井，用雙壁空心結構，浮運至墩位，灌水落床，再澆筑砼，接高下沉，直至設計標高。

二、復合基礎

將樁或管柱與沉井結合的一種深水基礎。沉井下到一定深度，封底，然后鉆孔，將沉井內的樁嵌巖，沉井封底與樁或柱共同受力。

其優(yōu)點：一是可以降低承臺的高度；二是可提供樁的施工場地；三是適應性強，尤其適應在巖面標高差異很大以及落差較大的河流；四是沉井可作防撞設施，保護樁及墩身。

三、橋梁基礎病害

在水中的橋墩，因為直接阻水，除了一般的沖刷以外，還有局部沖刷，在橋墩處形成局部漏斗形河床。當河床為厚砂礫卵石層時，因水流帶動砂礫運動，會對鉆孔灌注樁造成嚴重的磨損，甚至使樁中鋼筋外露。特別是在地面或低水位以下、凍結線以上或沖刷線附近，基礎或墩身常有環(huán)帶狀腐蝕，基礎周圍表面松散，嚴重者使砼形成空洞。

對于砼或漿砌片石擴大基礎，主要缺陷是基礎松散破裂和基礎下沖空。

建立在天然地基上的淺基礎常見的病害有：埋置深度淺，易受沖刷而掏空；埋置深度不足，受凍害影響；地基不穩(wěn)定，易產生滑移或傾斜。

建立在巖石上的基礎常見的病害有：基礎至于風化石層上，風化部分未處理好，經水流沖刷而掏空或懸空；受地震時的剪切作用，易產生裂縫。

人工地基基礎：因處于軟弱地基上，在豎向荷載作用下壓實沉陷，是基礎下沉。

木樁基礎：地下水位下降時，樁身常腐蝕。

鋼筋砼打入樁基礎：打樁時，樁身受損壞；受水沖刷、侵蝕，產生空洞、剝落等；受船只或其他漂浮物的撞擊而損壞。

鉆孔樁基礎：施工時淤泥未完全清除，就灌注砼，而使形成后的基礎下沉；施工不當，或受水沖刷、侵蝕而產生空洞、剝落、鋼筋銹蝕等；灌注砼過程中發(fā)生塌孔而未處理，樁身部分脫空；受外力撞擊而產生破壞。

管樁基礎：承載力不足而使基礎產生下沉。

沉井基礎：地基下沉時，基礎也產生一些下沉；基礎下沉不均勻時，橋臺臺背高填土受地基土側向流動的影響時，基礎產生滑移、傾斜；中間層為弱黏土層時，由于附近施工挖基坑和填土等而變位；由于沖刷被沖走或地震而使地基液化，使基礎變位。

四、病害成因

對于寬淺變遷河段，由于河床坡度比上游平緩，滿水時從上游陡峻河床上推移來的大量泥沙多為卵礫石，遠遠超過了平緩河床上的挾運能力，因此河床上就發(fā)生多余泥沙的沉積，使河床逐漸升高，引導水流沖刷河床兩岸，使河槽遷徙不定。在這些河段早期修建的橋涵，由于受經濟條件的制約和對水流遷徙特性認識不足，往往是岸灘上的基礎埋深較淺，基底標高與主河槽基底不一致。由于河槽擺動不定，原有岸灘若干年后可能變?yōu)橹骱硬?，致使原有基礎外露掏刷懸空。

有些大中橋基礎原本是明挖基礎及沉井基礎，明挖基礎由于具有就地取材、節(jié)約造價、方便施工的特點。但在有些變遷性河段上，由于水流搬運作用，一些淺河灘可能是過去的舊河道，多由一些卵石、砂礫石沉積而成，其深度少則幾米，多則數十米，孔隙較大，且不穩(wěn)定，因而在這樣的地段基坑不可能開挖到穩(wěn)定的老土持力層上，當河槽變遷時，原有的灘地可能再次變?yōu)橹骱硬?，基石被沖刷掏空。

施工過程若施工質量控制不好，漿砌基礎砂漿標號低，砂子雜質多、砌石石質差、尺寸小、砌壘不規(guī)范、灌漿不飽滿，致使基礎整體性差，抵抗水的沖刷能力弱。另外基坑開挖時未進行釬探，致使基礎坐落在軟弱下臥層上；或因設計中地質勘探不細，地基承載力確定不準；基底地質復雜、受力不均等引起基礎傾斜、開裂、沉降等病害。

五、橋梁基礎的防治措施

對于在卵石沉積層較厚的河床上修建的橋梁基礎，受洪水沖刷往往會造成局部懸空，一般可采用基底壓注水泥漿的辦法進行處理。由于砂質河床松散、流動性大，一旦沖空就急劇擴大，引起大面子坍塌，頃刻即可毀掉整個橋梁基礎，對于這類橋可采取在上游設截水墻，下游設梯級跌水墻，橋孔中間滿鋪漿砌片石的方案進行加固。方案是采取水泥法穩(wěn)定基礎。根據滲水性灌漿理論，漿液的擴散距離與壓力成正比。為了創(chuàng)造一個邊界，以使用漿量達到所需壓力，先在基礎周邊立模澆筑砼，然后用級配卵石回填至基礎墩臺頂，在回填的同時埋入10根關閉上鉆有多個細孔的壓漿管。待周圍澆筑的砼達到10 MPa時進行壓漿。壓漿材料用425普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、鋁粉膨脹劑和水玻璃配制，為了防止?jié){液隨地下水經卵石空隙流走，采取兩次壓漿法，即先按0.5 MPa～1 MPa壓力對外圈孔注漿，待初凝充填周圍卵石空隙后，再進行壓漿，使壓漿壓力到1.5 MPa～2 MPa為止。對于橋位斜交角度過大又處于次穩(wěn)定性河段上的橋梁可通過采取調治、疏通上游河道的辦法改變水流方向，解決河流沖刷問題。

當橋基礎被洪水沖刷掏空后，應采取永久加固措施，確保橋基永久安全。要根據河床地質、病害程度采取不通的措施。

六、結束語

綜上所述，應運用科學的手段和方法合理論證、正確判斷橋梁基礎病害成因，并采取可行的預防加固措施，充分發(fā)揮舊橋功能，節(jié)約資金，對保證公路運輸安全具有重要的現實意義。對于舊橋基礎病害的加固，不可能有一個固定模式，必須根據橋位所處地質、水文條件、橋型結構、施工技術條件等綜合考慮，確定出符合實際的加固方案。