縱向抬樁法在橋梁樁基加固中的應(yīng)用

■肖長(zhǎng)進(jìn)

（福州交建高速公路養(yǎng)護(hù)有限公司，福州 350001）

我國(guó)在役橋梁數(shù)量龐大，橋梁在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中常因人為因素和環(huán)境變遷而遭受破壞，其中樁基破壞將嚴(yán)重削弱橋梁的承載能力、穩(wěn)定性和耐久性，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧?duì)病害樁基進(jìn)行加固[1、2]。常用的橋梁樁基加固方法有增補(bǔ)樁基法、注漿法、錨桿靜壓樁法、外包鋼筋混凝土法、外包鋼法、鋼套筒法、夾克法、擴(kuò)大基礎(chǔ)法、混凝土缺陷修復(fù)法、拋石護(hù)坦法等。

抬樁法是增補(bǔ)樁基法的一個(gè)分支，其特點(diǎn)是在舊樁側(cè)面增加一根或者數(shù)根新樁，并采取適當(dāng)措施將新、舊樁連成整體共同承受上部荷載，隨時(shí)間推移，在河床沖刷及新舊樁差異性沉降的條件下，舊樁緩慢退出承載，最終由新樁承受全部或大部分上部荷載[3]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能較好解決現(xiàn)有樁基豎向承載能力和抗剪承載能力不足的問(wèn)題，有效地增強(qiáng)了墩柱的抗彎剛度；缺點(diǎn)是大范圍改變了橋梁的下部外觀， 對(duì)橋梁景觀影響較大，且對(duì)河流的泄洪能力影響大。

下文將以福州橘園洲大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，介紹縱向抬樁法在橋梁樁基加固中的應(yīng)用。

1 橘園洲大橋工程病害概述

橘園洲大橋位于福銀高速福州連接線，橫跨福州市倉(cāng)山區(qū)建新鎮(zhèn)與閩侯縣上街鎮(zhèn)之間的烏龍江上，由西引橋、主橋、東引橋及建新互通立交橋組成，是金山區(qū)通往上街大學(xué)城的必經(jīng)之路。

橋位處主要發(fā)育有第四系全新統(tǒng)長(zhǎng)樂(lè)組沖積層、海積層和沖洪積層，包括粘性土、砂類(lèi)土淤泥(淤泥質(zhì)粘土)礫石、卵石等；第四系殘坡積層及燕山晚期侵入的花崗巖、黑云母花崗巖、正長(zhǎng)斑巖。橋位處基巖埋深較深，一般大于50m。

該橋運(yùn)營(yíng)以來(lái)使用狀況一直良好。但是近年來(lái)，由于烏龍江河道的壓縮、上游長(zhǎng)期采砂活動(dòng)、河道的疏浚等原因，橘園洲大橋所在的江段水文環(huán)境發(fā)生變化，呈現(xiàn)西岸淤積、東岸沖刷的狀況。同時(shí)受河床沖刷、污水銹蝕、潮汐和汛期水位變化引起的干濕交替作用等因素影響，橋梁樁基所處水文環(huán)境發(fā)生變化，河水中樁基劣化程度較為嚴(yán)重。

通過(guò)對(duì)橘園洲大橋的主橋、建新互通立交橋的主線橋、A 匝道橋、C 匝道橋所有樁基的外觀檢測(cè)調(diào)查及樁基混凝土強(qiáng)度檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)主要存在病害如下(圖1)：

(1)樁身嚴(yán)重裸露在河床之上，裸露的高度最高達(dá)到了14m 左右；

(2)裸露在河床上的樁身由于受水流沖刷作用，樁身基本上出現(xiàn)了砂石裸露現(xiàn)象(圖1.a)；

圖1 橋梁樁基病害

(3) 某些樁基的樁身混凝土出現(xiàn)了破損掉塊現(xiàn)象，破損面積最大達(dá)到了2.7㎡左右(圖1.b)；

(4)許多樁身鋼筋裸露在大氣中或者水中，而且發(fā)生了嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象(圖1.c)；

(5)樁身某些部位出現(xiàn)了沖刷掏空現(xiàn)象，掏空的洞深最深達(dá)到了25cm 左右(圖1.d)；

(6)樁身出現(xiàn)了凹凸不平現(xiàn)象，凸出點(diǎn)距承臺(tái)邊緣線最遠(yuǎn)達(dá)到了150cm 左右；凹進(jìn)點(diǎn)最深達(dá)到了60cm 左右；

(7)有些樁基出現(xiàn)了縮徑現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的樁身周長(zhǎng)比原設(shè)計(jì)周長(zhǎng)最多的小了28cm。

對(duì)主線橋(金上大橋及建新互通主線橋)、A 匝道、C 匝道樁級(jí)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1 所示。根據(jù) 《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》 (JTG/T H21-2011) 第4.1.8 條規(guī)定，按照橋梁主要部件最差的缺損狀況對(duì)全橋總體技術(shù)狀況進(jìn)行評(píng)定，橘園洲大橋總體技術(shù)狀況為4 類(lèi)橋。 根據(jù) 《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》 (JTG H11-2004)第3.5.4 條規(guī)定，應(yīng)對(duì)橋梁進(jìn)行大修或改造，及時(shí)進(jìn)行交通管制，如限載、限速通行，或關(guān)閉交通。

表1 各位置樁級(jí)統(tǒng)計(jì)

2 加固方案與加固原理

2.1 加固方案

抬樁加固分為橫向抬樁和縱向抬樁。橫向抬樁只能提高基礎(chǔ)豎向承載力，無(wú)法提高橋墩的縱向抗彎剛度，而本橋病害為河床沖刷下切，造成樁基入土深度減小，承載能力下降， 并且河床下切導(dǎo)致橋墩的計(jì)算高度增大，縱向抗彎剛度減小。此外，橫向抬樁適合橋?qū)捿^小的橋梁，橘園洲大橋主橋?qū)掃_(dá)12.25～24m，每個(gè)橋墩至少有4 根樁基， 兩幅橋梁樁基之間的凈距僅為6.15m，單幅梁樁基間設(shè)有系梁，沒(méi)有橫向加樁的空間。因而橫向抬樁方案不合適，故采用縱向抬樁方案。

通過(guò)采用新增兩根樁基對(duì)原一根樁基進(jìn)行加固，加固方案新舊樁中心間距僅2 倍樁徑，根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載大小及橋墩處地質(zhì)情況差異， 新樁樁徑分為1.4m 和1.5m 兩種，樁長(zhǎng)為55～62m，全橋共增加214 根樁和47個(gè)承臺(tái)。金山大橋引橋及互通主線橋在原Φ1.8m 或者1.5m 樁基縱橋向各新增兩根Φ1.5m 樁基，即對(duì)左右幅15#～23#、左幅30#、左右幅31#～32#采用縱橋向4 根Φ1.5m 樁基對(duì)原2 根Φ1.8m 或者1.5m 樁基進(jìn)行加固；對(duì)左右幅24#～29#、 右幅30#采用縱向6 根Φ1.5m 樁基對(duì)原3 根原Φ1.8m 或者1.5m 樁基進(jìn)行加固。A 匝道橋、C 匝道橋(出A 匝道橋3#墩和C 匝道橋18#墩)縱橋向4 根Φ1.4m 樁基對(duì)原2 根Φ1.4m 或者1.5m 樁基進(jìn)行加固。

新樁基與老墩之間采用一工字型承臺(tái)聯(lián)結(jié)。承臺(tái)內(nèi)部采用熱軋普通工字型鋼作為承臺(tái)主受力構(gòu)件，工字鋼通過(guò)下緣焊接的槽鋼互相連接， 以上型鋼組成承臺(tái)托架。為加強(qiáng)承臺(tái)與原有墩柱、系梁連接，植入一定數(shù)量的鋼筋。

2.2 加固原理

當(dāng)新增樁施工完成后，直接在樁頂澆灌包裹舊樁的承臺(tái)。雖然新舊工程樁經(jīng)承臺(tái)的連接形成一個(gè)整體，但由于新樁的時(shí)間和變形效應(yīng)無(wú)法馬上承擔(dān)荷載。即新樁的沉降在短期內(nèi)并未穩(wěn)定，在一段時(shí)間內(nèi)還要發(fā)生較大的沉降。 隨著時(shí)間的推移、 舊樁基礎(chǔ)變形的進(jìn)一步發(fā)展，增補(bǔ)的新樁才能開(kāi)始發(fā)揮作用。新樁在開(kāi)始階段只會(huì)承擔(dān)新澆筑承臺(tái)的自重荷載，隨著時(shí)間推移，新樁樁頂力逐漸增大，承擔(dān)上下部荷載的比例增大，直至舊樁完全失效，新樁將承擔(dān)上下部所有傳遞荷載。

3 施工工藝

3.1 樁基加固施工順序

棧橋及鉆孔平臺(tái)搭設(shè)→鋼護(hù)筒施工→鉆孔施工→鋼筋籠制作安裝→灌樁→鉆孔平臺(tái)拆除及承臺(tái)施工平臺(tái)搭設(shè)→樁頭及承臺(tái)表面處理→系梁及樁柱植筋→承臺(tái)制作。

其中鉆孔平臺(tái)搭設(shè)、鉆孔施工、鋼筋籠制作安裝、灌樁、承臺(tái)施工平臺(tái)搭設(shè)及承臺(tái)制作均采用常規(guī)工藝。

3.2 鋼護(hù)筒打設(shè)

橘園洲大橋橋址處河床表層為中粗砂和中細(xì)砂，砂層總厚度約20m?？紤]到飽和砂土地層在鉆孔過(guò)程中極易坍塌，原設(shè)計(jì)要求鋼護(hù)筒必須穿透砂層直至卵石夾土層頂面。 樁徑1.4m 和1.5m 的新樁分別采用內(nèi)徑1.6m和1.7m 的鋼護(hù)筒，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用DZJ-150 型振動(dòng)錘也不能將如此直徑的鋼護(hù)筒打入卵石夾土層，而現(xiàn)有技術(shù)條件下無(wú)法采用更大功率的振動(dòng)錘。

為解決這一施工難題，經(jīng)理論研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定采用DZJ-150 型振動(dòng)錘施打鋼護(hù)筒， 輔以沖擊鉆引孔的方式，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

現(xiàn)有橋位河床泥面線處存在大量原橋施工與防護(hù)所遺留混凝土塊和拋石， 導(dǎo)致新增加固樁基鋼護(hù)筒無(wú)法施工。在樁位建筑垃圾無(wú)法清理的情況下，宜采取雙護(hù)筒引孔方案進(jìn)行鋼護(hù)筒施打就位。

鋼護(hù)筒的施工質(zhì)量直接影響樁基施工質(zhì)量，要嚴(yán)格保證鋼護(hù)筒的入土深度及垂直度，同時(shí)鋼護(hù)筒要有足夠的剛度，保證鋼護(hù)筒在施工過(guò)程中不變形。

3.3 鉆機(jī)選型

橘園洲大橋橋址處水深約10m，樁基鉆孔實(shí)際進(jìn)尺約55m，鉆進(jìn)過(guò)程中要穿過(guò)中粗砂層、中細(xì)砂層、卵石夾土及強(qiáng)風(fēng)化黑云母花崗巖層或正長(zhǎng)斑巖等地層，其中砂層約20m，卵石夾土層約16m。原設(shè)計(jì)采用回旋鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工，現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)表明，回旋鉆機(jī)在沙土層中鉆進(jìn)時(shí)極易塌孔， 在卵石夾土等地層中鉆進(jìn)速度緩慢，不能適應(yīng)橘園洲大橋樁基加固的需要。

考慮到橋下施工凈空及地質(zhì)因素， 改用JK-15 型沖擊鉆正循環(huán)鉆孔，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)?zāi)茼樌煽?。采用有限元軟件?duì)既有樁基附近沖擊鉆孔過(guò)程進(jìn)行模擬分析， 結(jié)果表明沖擊鉆孔對(duì)舊樁周?chē)馏w有一定的擠密作用，能有效防止塌孔和舊樁偏位。沖擊擠土?xí)?duì)既有樁身產(chǎn)生一定的橫向力， 但其值較小， 不影響原樁安全。

3.4 樁頭及承臺(tái)表面處理

新樁澆筑完成并達(dá)到適宜的強(qiáng)度后，割除多余的鋼護(hù)筒，鑿除樁頭，樁頂伸入承臺(tái)15cm，但應(yīng)將深入承臺(tái)內(nèi)部的樁身鋼護(hù)筒割除， 防止鋼護(hù)筒與承臺(tái)鋼筋接觸而發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

原橋使用多年后，原系梁及舊樁表層混凝土已部分破損，劣化較嚴(yán)重。施工時(shí)用人工配合小型機(jī)具對(duì)其表面進(jìn)行鑿毛處理，直至露出完好的混凝土面，并形成凹凸不平的面?；炷翝仓皩?duì)接觸面進(jìn)行清洗，并按規(guī)定涂抹水泥砂漿，確保新舊混凝土接觸良好。

3.5 系梁及樁柱植筋

承臺(tái)鋼筋綁扎前在原系梁及樁柱上植入一定數(shù)量的L 形鋼筋，植入的鋼筋由直徑20cm 的帶肋鋼筋制作而成， 橫向間距45cm， 豎向間距90cm， 并在承臺(tái)頂、底面處與新承臺(tái)鋼筋網(wǎng)連接成整體。

植筋在抬樁加固中具有至關(guān)重要的作用。它不僅能增強(qiáng)新舊承臺(tái)間的連接，而且將對(duì)新承臺(tái)混凝土的收縮徐變產(chǎn)生較強(qiáng)的束縛作用，防止因新、舊混凝土齡期差別巨大而在新舊混凝土接觸面引起收縮裂縫。

4 加固技術(shù)要點(diǎn)

4.1 新增樁樁長(zhǎng)與樁徑的選擇

采用抬樁法加固橋梁，一般是為解決其基礎(chǔ)承載能力、耐久性不足等問(wèn)題。這類(lèi)橋梁常因河床沖刷而導(dǎo)致樁基外露，對(duì)采用樁柱式基礎(chǔ)的橋墩，由于原樁徑與墩柱直徑相差不多，樁身外露將使墩柱的計(jì)算長(zhǎng)度加長(zhǎng)。抬樁法加固橋梁不僅要解決原樁承載能力、耐久性不足的問(wèn)題，還需要對(duì)橋墩縱、橫向抗彎剛度進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)。因此在確定樁長(zhǎng)、樁徑及樁的布置形式時(shí)不僅要考慮承載能力，還應(yīng)當(dāng)考慮增大基礎(chǔ)錨固剛度的問(wèn)題。

4.2 承臺(tái)制作應(yīng)考慮的問(wèn)題

新舊樁承載變換過(guò)程中， 承臺(tái)作為主要的傳力構(gòu)件，其受力狀態(tài)隨時(shí)間的推移而發(fā)生改變，由于新舊樁間距較小，承臺(tái)以承受剪力為主，其受力狀態(tài)可分為三個(gè)階段。施工完成的初始階段，承臺(tái)自重由新舊樁基一起承受，隨后，在舊樁沉降極少的情況下，新樁樁側(cè)和樁底反力尚不足以支撐其自重而對(duì)承載產(chǎn)生向下的拉力，最后在基礎(chǔ)沉降的影響下，新樁承受的上部荷載逐漸增大，舊樁承受的上部荷載逐漸減小。通常設(shè)計(jì)時(shí)常忽略第二個(gè)階段承臺(tái)受力狀況，承臺(tái)頂面配筋量不足，將致承臺(tái)在第二階段受力過(guò)程中出現(xiàn)裂縫等病害。尤其是在地質(zhì)條件較差，在新樁自重作用下土體壓縮量大的地區(qū)，這種破壞將更加明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)目前，橘園洲大橋樁基加固工程已經(jīng)完工，采用縱向抬樁法加固施工全過(guò)程均未涉及水下作業(yè)，加固施工安全高效。

(2)采用縱向抬樁法加固后，顯著增強(qiáng)了樁基承載能力和剛度，增強(qiáng)了墩柱抗彎剛度，對(duì)橋梁承載能力及受力性能改善效果顯著。

(3)在砂質(zhì)地層中進(jìn)行抬樁加固時(shí)，采用沖擊引孔方式打設(shè)鋼護(hù)筒和沖擊鉆鉆孔有助于降低施工風(fēng)險(xiǎn)、提高施工效率。

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