軟土地質條件對橋梁結構安全的影響

邱體軍， 崔方勝

(安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

軟土地質條件對橋梁結構安全的影響

邱體軍， 崔方勝

(安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

軟土由于其土體結構的不穩(wěn)定性，給結構工程帶來諸多問題，長期以來一直困擾著人們。通過工程實例進行分析總結，將有助于提高人們對軟土特性的進一步認識，有助于提高同種條件下橋梁結構的可靠性和對該類病害的防治。

軟土；蠕動變形；樁基偏位；病害分析

0 引 言

安徽省是中國東部擁江近海的內陸省份，坐擁淮河、長江、新安江三大流域，形成淮北、江淮、江南多元的地域特征。全省范圍內軟土分布區(qū)域較廣，主要集中在長江下游沿江地段。軟土由于其土體結構的不穩(wěn)定性，給結構工程帶來諸多問題，長期以來一直困擾著人們。

對軟土地質條件下橋梁結構產生的病害進行分析總結，將有助于提高人們對軟土特性的進一步認識，有助于提高同種條件下橋梁結構的可靠性和對該類病害的防治[1]。

1 軟土的特性

軟土主要是由天然含水量大、壓縮性高、承載能力低的淤泥沉積物及少量腐殖質所組成的土[2-4]。

1.1 高含水量和高孔隙比

軟土的天然含水量一般為50%～70%，最大甚至超過200%。天然孔隙比在1～2之間，最大達3～4。軟土的如此高含水量和高孔隙比特征是決定其壓縮性和抗剪強度的重要因素。

1.2 滲透性弱

軟土的滲透系數一般在1×10-4～1×10-8cm/s之間，由于土層中夾有數量不等的薄層或極薄層粉、細砂、粉土等，故在水平方向的滲透性較垂直方向要大得多。

由于該類土滲透系數小、含水量大且飽和狀態(tài)，這不但延緩其土體的固結過程，而且在加荷初期，常易出現較高的孔隙水壓力，對地基強度有顯著影響。

1.3 壓縮性高

軟土均屬高壓縮性土，其壓縮系數a=0.1～0.2,一般為0.7～1.5 MPa-1，它隨著土的液限和天然含水量的增大而增高。由于土質本身的因素而言，該類土在荷載作用下的變形有變形大而不均勻和變形穩(wěn)定歷時長兩個特征。

1.4 抗剪強度低

軟土的抗剪強度小且與加荷速度及排水固結條件密切相關，不排水三軸快剪所得抗剪強度值很小，且與其側壓力大小無關。排水條件下的抗剪強度隨固結程度的增加而增大[5]。

1.5 較顯著的觸變性和蠕變形

軟土地質的這些特性，使得理論上很難準確地模擬其實際物理特性。同時，在施工擾動、周圍環(huán)境的影響下，設計與施工也存在不同程度的偏差，致使結構的受荷情況與設計的假定條件很難一致，這是軟土地質條件下橋梁結構安全控制的復雜之處。

2 工程實例

以一座跨閘公路橋施工過程中產生的病害為例，談談軟土地質條件對橋梁結構安全的影響。

2.1 場地地質情況

根據地質勘察報告，橋位處地層自上而下依次為：素填土、淤泥質粉質黏土、粉土、粉細砂、角礫、強風化礫巖、中風化泥質粉砂巖[6]。土層分布見表1所列。

表1 橋位處地質情況 m

2.2 項目概況

跨閘公路橋上部結構采用18 m現澆鋼筋混凝土箱梁及32 m現澆預應力鋼筋混凝土箱梁，現澆箱梁梁高1.7 m，頂板寬10 m，底板寬6 m，橋面寬度為8 m(行車道)+2×1 m(人行道)，全寬10 m。下部結構橋墩采用雙柱式橋墩，樁基直徑采用1.6 m和1.8 m，墩柱直徑1.4 m和1.5 m，設計平均樁長60 m，經淤泥質粉質黏土、粉土、砂礫石層進入中風化泥質粉砂巖[7]。

橋梁標準橫斷面，如圖1所示。

圖1 橋梁標準橫斷面

為滿足橋下通航凈高的要求，加上場地受長江大堤、節(jié)制閘、老船閘等永久性建筑物的限制，橋梁以近似U型的線形與節(jié)制閘橋和大堤相接，橋梁第10跨橫跨上游導航墻。

為了保證地方道路的暢通，工程建設采用先修建公路橋，使其與兩側的道路銜接起來，再修建船閘。

橋位平面布置圖，如圖2所示。

橋梁上、下部結構施工完成后進行船閘基坑的開挖工作。大堤頂面與船閘基底高差約14 m，現場采用自然放坡的方式進行基坑開挖。在閘室開挖施工過程中，橋位處的大堤邊坡土體發(fā)生蠕變，坡面局部有鼓曲現象，坡頂料場地面出現裂縫，使位于基坑周邊的公路橋橋墩尤其是第五聯橋墩因土體變形產生了較大的偏位，并引起梁體偏移，對橋梁結構的安全帶來了較大影響。

圖2 橋位平面布置圖

2.3 主要病害

(1) 第4、5聯橋梁樁基向基坑側發(fā)生較大偏位，偏位值12.3～26.8 cm。

(2) 橋墩下系梁出現明顯豎向裂縫。

(3) 由于上部箱梁已施工完畢，加上支座的嵌固作用，個別橋墩墩頂支座上下鋼板相對偏位值達10 cm。

3 病害原因分析

現場病害發(fā)生后，建設單位高度重視，多次聯合設計、施工、監(jiān)理單位邀請省內外相關專家和學者參與病害原因分析和研討。大家一致認為在軟土地質條件下通過理論計算分析樁土共同作用難度較大，現有規(guī)范對軟土各項指標的選取規(guī)定彈性較大，計算人員很難把握；橋梁規(guī)范推薦的“m”法僅適用于土體變形較小的情況，即樁周土處于彈性狀態(tài)，而本工程中的橋樁變位較大，部分土體完全進入塑性狀態(tài)，計算時需對土體剛度進行折減以模擬其實際工作狀態(tài)[8]。根據現場病害發(fā)生的過程及病害特征，分析得知主要有以下幾方面的原因：

(1) 軟土的特性：工程區(qū)淤泥質軟土自地面向下分布，厚度在25 m以上，該土層強度低，含水率達40%，空隙比大于1，液限指數大于1，壓縮性高，流塑狀，承載力小，土體靈敏度3～5，具有觸變性。

現場基坑深度大于10 m，軟土深度超過30 m。從土層特性及基坑邊坡變形特征分析，地基受荷載變化和施工擾動造成土體蠕變，受擾動土體強度降低，引起邊坡土體向臨空面方向的蠕變，從而帶動橋樁變位，是造成橋墩變形的主要原因[9]。

(2) 施工順序不合理：橋位區(qū)軟土厚度較厚，受地方交通、施工進度等影響，采用先橋后閘的順序施工，橋梁施工完成后再進行基坑開挖，施工期間又未對橋墩采取有效的保護措施。橋梁的存在對基坑開挖引起的土體變形提出更為苛刻的要求，這是工程施工難以做到的。

(3) 施工過程產生附加荷載：第4、5聯橋左側料場的設置加大了橋梁兩側不平衡荷載。施工便道緊鄰橋梁的設置增加了施工機械對土體的擾動。

(4) 橋墩采用單排樁設計：在基坑深度如此大的情況下單排樁整體抗變形能力有限[10]。

4 加固處理措施

在保證橋梁狀況不再惡化的前提下，現場做了大量工作才使得船閘工程得以順利實施。船閘施工結束后，通過鉆孔全孔壁成像檢測技術對偏移量較大的幾根樁基進行了檢測，檢測結果顯示樁基開裂斷面位于樁頂14 m以下。

根據成橋狀態(tài)下樁基受力情況分析，橋墩在縱向力(汽車制動力、溫度力等)作用下，樁基土中最大彎矩出現在地面以下4～6 m處，在12～15 m左右彎矩遞減為0。

根據檢測結果結合計算分析，認為橋梁在閘室墻土方回填完成后，兩邊不存在不平衡荷載的情況下，樁基豎向承載力能滿足后期使用要求，并針對公路橋存在的病害采取以下處理措施：

(1) 對系梁處裂縫灌膠封閉處理。

(2) 對樁基偏位值大于10 cm的橋墩，采用壓力注漿對橋墩周邊土進行處理，注漿孔深度15 m[8]。

(3) 第4、5聯在基坑側距老橋邊緣5 m處新建一條頂寬5 m的反壓坡道，坡道采用黏土壓實。

(4) 對支座上下鋼板相對偏位值大于10 cm的橋墩，通過灌注支座灌漿料增設輔助支座。

(5) 第4、5聯橋墩四周5 m范圍回填土采用8%石灰土進行換填，換填深度1.5 m。

(6) 加強橋面現澆層鋼筋配置，施工橋面系。

經處理后橋梁已正式通車多年，運營情況良好。

5 結束語

由于軟土地質特性的緣故，軟土地基橋梁病害發(fā)生、發(fā)展的可預見性較差，且病因較復雜，這增加了結構安全和耐久性問題解決的難度，然而，盡管實際工程的情況各不相同，同一類橋梁病害還是具有一定的共同特點。

通過對同一類病害的分析總結，能不斷完善設計，有效控制病害的發(fā)生。希望通過本文的論述，大家能對軟土地質條件對橋梁結構安全的影響有進一步的認識，在以后的工作中注意預防和避免。結合該工程病害發(fā)生的過程和處理結果，從設計的角度總結幾點供大家參考：

(1) 橋梁布跨時，應有意識地增加橋長將橋臺后移，降低臺后填土高度[11-12]。

(2) 橋位處軟土深度超過25 m時，橋梁下部結構基礎形式應優(yōu)先選擇群樁基礎。

(3) 軟土地區(qū)如相鄰位置有其他交叉工程，須遵循先深后淺的基本施工順序。

(4) 橋位區(qū)施工時還應加強對地基及結構物的后期觀測，尤其注意變形觀測，對有可能產生蠕動變形的地質更要加以注意。

(5) 跨閘公路橋建設工地，在軟土分布較深的情況下，建議橋梁主體結構在船閘閘室墻后回填土完成之后實施。

[1] 祝敏方.軟土地質條件下橋梁病害分析及防治對策[J].中外公路,2004,24(1):29～32.

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[3] 陳德華，宗超男，余景江．淺談水利工程軟土地基建設控制[J]．工程與建設，2014，28(6)：804～805，808．

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[8] JTG D63-2007,公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范[S].

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[10] 魏煥衛(wèi),楊 敏.大面積堆載情況下鄰樁的有限元分析[J].工業(yè)建筑,2000(8):30～33.

[11] 張?zhí)烀?橋墩病害處治方法探索——重慶菜園壩長江大橋引橋橋墩的糾偏與加固記實[J].公路交通技術,2008(1):94～96.

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2016-08-08

邱體軍(1983-)，男，安徽六安人，安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司高級工程師．

U448.215

A

1673-5781(2016)04-0517-03