U型橋臺常見裂縫產(chǎn)生原因及加固方法研究

劉家慶，李昌鋒

(1.廣西浦信高速公路有限公司，廣西 南寧 530000；2.廣西桂通工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530028)

0 引言

梁橋和拱橋上常用的重力式橋臺為U型橋臺，臺身由前墻和兩個側(cè)墻構(gòu)成U字形結(jié)構(gòu)，故稱為U型橋臺。U型橋臺主要靠自身重量來平衡外力，所以臺身厚重，一般用混凝土或片、塊石砌筑。得益于結(jié)構(gòu)的良好整體性，以及充足的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，而且構(gòu)造簡單，施工便利，U型橋臺成為目前公路橋梁最常見的橋臺形式。U型橋臺地基承載應(yīng)力均勻，外觀簡潔，在我國被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)良好的中、小橋。由于設(shè)計考慮不周和施工方法不當(dāng)?shù)仍颍こ虒嵺`中經(jīng)常出現(xiàn)橋臺臺身或臺內(nèi)路面的開裂、側(cè)墻傾斜外移、前墻發(fā)生裂縫、錐坡沉陷坍塌、橋臺基礎(chǔ)被掏空等病害，嚴(yán)重時甚至無法使用。

本文針對U型橋臺裂縫病害，從裂縫外在形態(tài)特點(diǎn)出發(fā)分析病害產(chǎn)生的原因，并進(jìn)一步展開了相應(yīng)的加固處治對策研究。

1 U型橋臺常見裂縫病害特點(diǎn)

U型橋臺裂縫按其產(chǎn)生原因可以分為兩大類：非結(jié)構(gòu)受力裂縫；結(jié)構(gòu)受力裂縫。

1.1 非結(jié)構(gòu)受力裂縫

此類裂縫主要是由混凝土收縮引起，通常呈現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫分布，裂縫分布位置、長短沒有規(guī)律，常見分布于橋臺前墻、側(cè)墻。非結(jié)構(gòu)受力裂縫要通過檢測儀器才能量測，這種裂縫分布不規(guī)則，對結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)安全影響不大，但影響外觀質(zhì)量以及耐久性。

1.2 結(jié)構(gòu)受力裂縫

結(jié)構(gòu)受力裂縫根據(jù)裂縫部位不同可分為橋臺前墻豎向裂縫、橫向裂縫、斜向裂縫，側(cè)墻斜向裂縫、豎向裂縫，背墻橫向裂縫、豎向裂縫、斜向裂縫，前墻和側(cè)墻貫通的斜向裂縫。下面對裂縫產(chǎn)生部位及方向分別進(jìn)行歸納闡述。

1.2.1 前墻豎向裂縫

橋臺前墻豎向裂縫通常從基礎(chǔ)底部往上發(fā)展，多數(shù)裂縫貫通整個橋臺，裂縫較寬，呈現(xiàn)下寬上窄分布特點(diǎn)，同時伴隨有錯臺趨勢，地基有不均勻沉降跡象，對于表面封閉過的豎向裂縫，往往會重新開裂。

1.2.2 前墻橫向、斜向裂縫

橋臺前墻橫向、斜向裂縫多見于前墻頂部，距離臺帽0～2 m范圍不等，橫向分布長度不一，基本延伸至橋臺邊緣，伴隨有破碎、斷裂跡象，有錯臺趨勢，敲擊裂縫以上部位，聲音較沉，形成斷裂塊。

1.2.3 側(cè)墻斜向裂縫

橋臺側(cè)墻斜向裂縫為U型橋臺較為常見的裂縫病害，多數(shù)橋臺存在此類病害，根據(jù)病害嚴(yán)重程度不同，裂縫長短不一。裂縫多數(shù)從臺帽處展開，向下延伸，裂縫寬度呈現(xiàn)上寬下窄。根據(jù)病害產(chǎn)生的原因不同，裂縫延伸方向有向后延伸和向前延伸，向前延伸的裂縫多數(shù)開展至前墻或接近前墻，向后延伸裂縫基本順著前墻與側(cè)墻交界處發(fā)展。

1.2.4 側(cè)墻豎向裂縫

橋臺側(cè)墻豎向裂縫基本是從頂部發(fā)展，位于背墻交界處往臺后部分，呈現(xiàn)上寬下窄的裂縫寬度特點(diǎn)，多數(shù)有滲水痕跡，裂縫寬度較大，超過《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11-2004)規(guī)定的縫寬限值[1](0.3 mm)。

1.2.5 背墻裂縫

橋臺背墻橫向裂縫一般較寬，能達(dá)到厘米級，裂縫長度較長，基本位于同一高度分布，形成斷裂塊，裂縫伴隨有滲水跡象，多見于高背墻結(jié)構(gòu)。背墻斜向裂縫多見于背墻端部，位于前側(cè)或者外側(cè)，裂縫寬度較大，超過《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11-2004)規(guī)定的縫寬限值(0.3 mm)。背墻豎向裂縫多數(shù)位于外側(cè)，裂縫寬度較大，達(dá)到厘米級，縫寬超限。

1.2.6 綜合性裂縫

橋臺綜合性裂縫產(chǎn)生于多個結(jié)構(gòu)相互連通，或者同一構(gòu)件存在多種裂縫交錯，如前墻橫向裂縫與斜向裂縫連通，前墻裂縫與側(cè)墻裂縫連通，背墻裂縫與側(cè)墻裂縫貫通。此類裂縫寬度較大，基本達(dá)到厘米級，連通裂縫致使橋臺形成斷裂塊，嚴(yán)重影響橋臺結(jié)構(gòu)的使用。

2 U型橋臺常見裂縫成因分析

造成U型橋臺產(chǎn)生裂縫的原因較多，包括材料本身特性、施工、設(shè)計、設(shè)計外非對稱荷載作用等，不同類型的裂縫產(chǎn)生原因不一樣。現(xiàn)根據(jù)不同裂縫類型對其產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。

2.1 非結(jié)構(gòu)受力裂縫成因分析

此類裂縫多數(shù)形成于施工初期，重力式U型混凝土橋臺屬于大體積混凝土澆筑范疇，水化熱聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易消失。對設(shè)計而言需要有必要的防裂構(gòu)造鋼筋，對施工而言，如果混凝土養(yǎng)生不到位，沒有采取分層澆筑、摻入合理的添加劑等控制大體積水化熱的措施，那么在混凝土收縮作用下，在混凝土表面會產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫，屬于非結(jié)構(gòu)受力。對于向陽面的側(cè)墻，由于熱脹冷縮，在溫度梯度作用下結(jié)構(gòu)自身不均勻收縮膨脹變形也會導(dǎo)致表面產(chǎn)生不規(guī)則的網(wǎng)狀裂縫[2]。

2.2 結(jié)構(gòu)受力裂縫成因分析

2.2.1 前墻豎向貫通裂縫

前墻豎向貫通裂縫主要是由于基礎(chǔ)地基產(chǎn)生不均勻沉降，基礎(chǔ)底面受力不均勻，產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力，致使橋臺前墻開裂。

2.2.2 前墻橫向、斜向裂縫

前墻橫向、斜向裂縫往往伴隨有混凝土破碎，根據(jù)現(xiàn)場檢測，用錘敲擊混凝土塊，在裂縫邊緣混凝土較破碎，敲擊遠(yuǎn)離裂縫區(qū)，能聽到沉悶的聲音，鑿除裂縫邊緣混凝土，能發(fā)現(xiàn)混凝土塊形成斷裂面。產(chǎn)生此類裂縫的原因是混凝土澆筑質(zhì)量較差，在車輛荷載沖擊下前墻不斷開裂并形成斷裂塊。

2.2.3 側(cè)墻裂縫

側(cè)墻斜向裂縫根據(jù)其延伸方向不同，可推斷其產(chǎn)生的原因不同。對于向前墻延伸的斜向裂縫，主要也是由于混凝土澆筑質(zhì)量較差引起。對于向臺后延伸的斜向裂縫，其產(chǎn)生原因有兩方面：(1)臺后填土采用黏性土，土質(zhì)較差，臺后路面開裂后雨水滲入臺后填料，臺內(nèi)排水不暢，積水導(dǎo)致臺腔內(nèi)填土強(qiáng)度指標(biāo)降低，內(nèi)摩擦角減小，從而使作用在臺身的主動土壓力增大，導(dǎo)致橋臺開裂[3]；(2)部分橋臺臺后路面下沉，臺后路面的不平整引起橋臺處車輛跳車，對臺帽產(chǎn)生較大的沖擊力，導(dǎo)致橋臺側(cè)墻產(chǎn)生裂縫。

2.2.4 背墻橫向裂縫

背墻橫向裂縫多產(chǎn)生于高背墻結(jié)構(gòu)，對于上構(gòu)采用T梁的橋臺，由于梁高較高，背墻相應(yīng)也較高，如果背墻設(shè)計仍然采用與普通背墻一樣的配筋，勢必難以滿足要求，若伸縮縫存在高差，在車輛沖擊作用下，背墻很容易開裂。

2.2.5 綜合性裂縫

橋臺綜合性裂縫產(chǎn)生原因較為復(fù)雜，存在前面幾種因素的一種或幾種，需要根據(jù)具體裂縫特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析。

3 U型橋臺加固對策

分析上述現(xiàn)象中裂縫產(chǎn)生的原因，對U型橋臺產(chǎn)生的裂縫，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的原因進(jìn)行分類處置。

3.1 砂漿涂抹、灌注等預(yù)防、維護(hù)性修補(bǔ)

這種處理方法主要是針對非結(jié)構(gòu)裂縫及結(jié)構(gòu)裂縫的輔助綜合處理，用于提高結(jié)構(gòu)物外觀質(zhì)量和耐久性，防止雨水滲漏及二氧化碳腐蝕。

3.2 增強(qiáng)地基承載力

因基礎(chǔ)地基不均勻沉降引起的裂縫，應(yīng)當(dāng)以增強(qiáng)地基承載力作為首要目標(biāo)，可以采用換填、擴(kuò)基、高壓旋噴或基礎(chǔ)注漿法。為不中斷交通，在工程實踐中多采用注漿法，通過滲透、填充、置換、擠密等一系列流程，達(dá)到增強(qiáng)地基承載力的目的。

3.3 灌漿處理法

對于車輛的循環(huán)動荷載作用以及之前施工未分層壓實等原因造成的橋臺下沉，會導(dǎo)致橋臺跳車以及嚴(yán)重的路面開裂，這一方面會因橋臺跳車等動力作用加強(qiáng)對臺帽等局部結(jié)構(gòu)的破壞，另一方面會進(jìn)一步導(dǎo)致滲入臺后的雨水無法及時排出，增大了側(cè)墻的土壓力，產(chǎn)生非對稱荷載，導(dǎo)致橋臺側(cè)墻開裂。

處理此類裂縫處理的思路，可以從解決水的滲入和臺后沉降，增強(qiáng)臺身整體性等方面出發(fā)。(1)采用高壓灌注環(huán)氧砂漿修復(fù)側(cè)墻裂縫并灌漿，增加填料的密實度，對于淺層的灌漿還可以起到消除沉降差的作用；(2)在前墻底部附近增設(shè)帶反濾層的排水孔疏導(dǎo)滲水，路肩附近臺后填土布設(shè)排水通道；(3)在兩側(cè)墻間對穿預(yù)應(yīng)力鋼筋或鋼筋束錨固側(cè)墻從而達(dá)到增強(qiáng)橋臺整體性的目的；(4)修補(bǔ)臺帽局部破損和破損路面以封堵滲水源頭。

3.4 植筋拉桿錨固

對于臺帽等因伸縮縫引起的橋臺跳車或混凝土施工強(qiáng)度不足等引起的局部裂縫，可以采用植筋加格構(gòu)梁對穿預(yù)應(yīng)力拉桿錨固的加固方案，同時還可以考慮采用無縫橋梁方案，從根本上減少甚至解決車輛荷載通過伸縮縫時的震動荷載。

3.5 粘貼鋼板加固

對于橋臺側(cè)墻存在輕微斜向裂縫而未形成斷裂塊的病害，可以采用粘貼鋼板，同時植入錨桿加固，對錨桿施加一定的預(yù)壓力，以抑制側(cè)墻斜向裂縫的發(fā)展，同時對橋臺側(cè)墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，提高其承載力。

3.6 其他方法

目前重力式橋臺的其他加固方法主要有倒角法、預(yù)留縫法、鋼筋混凝土圈梁法、前墻背后增設(shè)扶臂肋墻、前墻設(shè)置注漿錨桿、增大截面法等，而復(fù)合碳纖維加固U型高橋臺還處于研究階段。

4 工程應(yīng)用案例

4.1 工程概況

某建成于2004年的一座4跨先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，上部結(jié)構(gòu)為3孔30 m預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁及1孔20 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心梁，橋臺為重力式U型橋臺采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，中間橋墩為雙柱式墩采用明挖樁基礎(chǔ)。經(jīng)過多年運(yùn)營后，2014年檢測發(fā)現(xiàn)左幅0#橋臺側(cè)墻存在1道斜向裂縫，從臺帽下緣距離前墻1.66 m處往前墻延伸，裂縫長2.42 m，寬0.3 mm。2016年檢測發(fā)現(xiàn)斜向裂縫有發(fā)展趨勢，影響橋臺結(jié)構(gòu)安全，于2016年對該橋臺進(jìn)行加固。側(cè)墻裂縫病害如圖1、圖2所示。

4.2 橋臺裂縫原因分析及加固

根據(jù)上述分析及現(xiàn)場勘查的情況，裂縫發(fā)生部位是側(cè)墻，向前墻斜向發(fā)展，因路面狀態(tài)較好，從路面處雨水滲入量小，經(jīng)現(xiàn)場測量臺后沉降較小，行車平順，且經(jīng)核查建設(shè)檔案資料，臺背回填良好，由此可以判斷，主要原因為其澆筑質(zhì)量欠缺，故混凝土耐久性不足，整體剛度下降，導(dǎo)致側(cè)墻裂縫持續(xù)發(fā)展。

圖1 橋臺側(cè)墻斜向裂縫示意圖(單位：cm)

圖2 橋臺側(cè)墻斜向裂縫現(xiàn)場圖

為了不影響橋臺結(jié)構(gòu)的安全使用，控制側(cè)墻裂縫進(jìn)一步發(fā)展，對左幅0#橋臺側(cè)墻采用粘貼鋼板加固，同時植入樹脂錨桿。因側(cè)墻開裂不排除此前滲水從此裂縫處進(jìn)入，且原設(shè)計泄水考慮不足，故在橋臺前墻底部預(yù)防性增設(shè)泄水孔。橫向鋼板從側(cè)墻繞到前墻，在轉(zhuǎn)角處彎折，在裂縫范圍內(nèi)粘貼4塊橫向鋼板，鋼板間距60 cm，寬40 cm，厚8 mm。同時在橫向鋼板外側(cè)加豎向鋼板作為壓條，鋼板間距60 cm，寬40 cm，厚8 mm，在橫向鋼板之間的縫隙加墊鋼板。在橫向鋼板和豎向鋼板交接處植入樹脂錨桿，錨桿采用JL25精軋螺紋鋼筋，在鋼板其余部位植入M12螺栓，將橫向鋼板、豎向鋼板和橋臺有效連接，形成整體，共同受力。橋臺加固如圖3、圖4所示。

圖3 粘貼鋼板加固示意圖

圖4 粘貼鋼板加固現(xiàn)場施工圖

4.3 橋臺加固效果

橋臺加固后，至今未見橋臺側(cè)墻裂縫再發(fā)展，加固效果良好，加固后現(xiàn)狀見圖5。

圖5 橋臺加固現(xiàn)場效果圖

5 結(jié)語

(1)U型橋臺裂縫按其產(chǎn)生原因可以分為兩大類：一類是非結(jié)構(gòu)受力裂縫，另一類是結(jié)構(gòu)受力裂縫。

(2)非結(jié)構(gòu)受力裂縫產(chǎn)生的直接原因是大體積混凝土施工的水化熱和陽光照射不均的溫度梯度，設(shè)計上沒有布設(shè)或布設(shè)抗裂構(gòu)造鋼筋不充分。

(3)不同部位和發(fā)展方向的結(jié)構(gòu)性裂縫經(jīng)過裂縫外觀分析可以得出：

橋臺前墻豎向貫通裂縫通常主要是由于地基不均勻沉降產(chǎn)生；

前墻橫向、斜向裂縫是由于混凝土澆筑質(zhì)量較差，車輛沖擊作用引起；

側(cè)墻裂縫產(chǎn)生的原因有側(cè)墻混凝土澆筑質(zhì)量較差，臺后填土質(zhì)量較差，臺后排水不暢，臺后路面下沉、伸縮縫存在高差引起的車輛沖擊作用等；

背墻橫向裂縫主要是由于伸縮縫存在高差，車輛沖擊引起。

(4)根據(jù)U型橋臺常見裂縫成因，裂縫處置方法也應(yīng)具體問題具體分析，從增強(qiáng)地基承載力，重建防排水通道體系，改善臺后填筑質(zhì)量，通過布設(shè)預(yù)應(yīng)力錨固體系、使用高強(qiáng)新材料或者增大截面面積增強(qiáng)臺身的整體性、剛度，以及重新改造橋面系等方面入手，予以綜合性的處置。

(5)案例分析表明植筋拉桿錨固可以有效地減小橋臺受力和位移效應(yīng)，可因地制宜采用。

U型橋臺在施工中裂縫成因多樣，隨著技術(shù)的發(fā)展，裂縫的控制研究涉及多學(xué)科交叉，需要工程技術(shù)人員在施工中不斷摸索，不斷總結(jié)經(jīng)濟(jì)實用的新工藝、新方法。

[1]JTG H11-2004，公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范[S].

[2]劉建雄，吳美君.豎向開裂U型橋臺加固方案探索與應(yīng)用[J].湖南交通科技，2012(9)：96-99.

[3]李洪峰，陳世英，宗道明.大體積混凝土U型橋臺裂縫的處理和防治[J].青海交通科技，2004(6)：28-30.