河流沖刷對(duì)橋墩承載力的影響分析

劉 政

(駐馬店市宇暢路橋養(yǎng)護(hù)工程有限公司，河南駐馬店463000)

1 橋梁概況

S219線大林淮河橋大橋建成于1998年，設(shè)計(jì)橋梁中心樁號(hào)為K0+577.18，位于駐馬店市正陽(yáng)縣和信陽(yáng)市羅山縣縣交界處。橋梁正交，上部結(jié)構(gòu)為24 m×20 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板，橋面簡(jiǎn)支連續(xù)，6孔一聯(lián)，兩橋臺(tái)和第6號(hào)、12號(hào)、18號(hào)墩頂設(shè)伸縮縫。下部結(jié)構(gòu)為柱式墩、臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，柱徑1.2 m，樁徑1.5 m，0號(hào)臺(tái)為雙柱式，24號(hào)橋臺(tái)為三柱式，橋墩均為雙柱式，樁長(zhǎng)30～32 m，橋梁全長(zhǎng)485.24 m。原設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e為4 203.5 m2，濕周481.66 m，水利半徑R=8.73。根據(jù)2014年6月實(shí)測(cè)成果及原設(shè)計(jì)資料，第3～17號(hào)橋墩均有不同程度的沖刷，其中7號(hào)墩沖刷深度最大，為8.5 m，沖刷較嚴(yán)重的樁基表面還出現(xiàn)大量混凝土剝落和鋼筋外露現(xiàn)象。

2 橋梁沖刷原理

近年來(lái)，橋梁因水流作用出現(xiàn)垮塌的現(xiàn)象較多，沖刷成了橋梁水毀事故發(fā)生的最主要原因之一。長(zhǎng)期的水流沖刷會(huì)造成既有橋梁墩臺(tái)破損，從而降低材料性能及有效承載能力，嚴(yán)重情況下會(huì)造成墩臺(tái)傾斜或橋梁垮塌。橋梁沖刷一般分為自然沖刷、一般沖刷及局部沖刷，三個(gè)相互獨(dú)立的過(guò)程，并假定它們相繼發(fā)生進(jìn)行。在計(jì)算時(shí)可分別進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算后匯總，以求得橋墩周圍最大沖刷深度。

目前有關(guān)橋梁樁基礎(chǔ)沖刷的研究很多，而評(píng)價(jià)沖刷對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)承載性狀影響的研究卻較少，這方面正受到學(xué)術(shù)界與工程界的高度重視。底杰［9］分析了河流采砂導(dǎo)致沖刷加大，降低了橋梁承載力；黎泰良［10］分析了橋梁沖刷降低橋梁承載力的程度，并提出橋梁樁基加固措施；姚童剛［11］提出橋梁沖刷加固的三種方法：拋鉛絲石籠、外包樁基和加樁；馬奎［8］研究了橋梁沖刷機(jī)理，提出了橋梁沖刷治理方法；陳穩(wěn)［13］通過(guò)模型計(jì)算分析了沖刷對(duì)橋梁承載力的影響大小。

3 樁基病害原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，沖刷較嚴(yán)重的樁基外表面出現(xiàn)大量混凝土剝落和鋼筋外露現(xiàn)象。樁基沖刷主要原因有以下幾點(diǎn)：

(1)橋位處河道地表2～5.5 m為松散的細(xì)砂和粉細(xì)砂，下層為中密的中、粗砂，細(xì)砂的水深1 m時(shí)不沖刷流速為0.35～0.32 m/s，中、粗砂的不沖刷流速為0.32～0.6 m/s，均屬于易受沖刷的土層。

(2)淮河本身的流量較大，橋位處河道百年一遇設(shè)計(jì)流量為量11 868 m3/s，洪水位為52.20 m，設(shè)計(jì)流速為2.83 m/s，水流的自然沖刷是造成3～17號(hào)橋墩沖刷的主要原因。

(3)近年來(lái)，各種工程建設(shè)蓬勃發(fā)展，而河砂作為一種主要建筑原材料，其需求量也持續(xù)增加，進(jìn)而促使人為無(wú)序地進(jìn)行河道采砂越來(lái)越嚴(yán)重。

(4)采砂還造成河水的集中，而河水的集中又可以加速水流的自然沖刷。另外，當(dāng)抽砂船在河中通行困難時(shí)，會(huì)用挖掘機(jī)挖深、挖寬橋位河道，也是造成橋下河床加深的一個(gè)主要原因。

4 橋墩承載力驗(yàn)算

橋梁承載力驗(yàn)算包括豎向承載力、水平承載力以及橋墩的穩(wěn)定性分析。

4.1 效應(yīng)計(jì)算

根據(jù)JTG D63-2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身承載力采用作用效應(yīng)基本組合進(jìn)行驗(yàn)算，基本組合按JTGD60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》第4.1.5條第一款計(jì)算，其表達(dá)式為：

4.2 7號(hào)墩沖刷深度

根據(jù)橋現(xiàn)場(chǎng)勘察情況，7號(hào)橋墩原有的地面標(biāo)高和剩余樁長(zhǎng)見(jiàn)表1。

4.3 7號(hào)橋墩縱向水平力

溫度力：計(jì)算上部結(jié)構(gòu)1聯(lián)6 m×20 m空心板，橋面簡(jiǎn)易連續(xù)，聯(lián)長(zhǎng)120 m，考慮溫降+收縮徐變溫差30℃。7號(hào)墩的溫度力73.603 27 kN。

制動(dòng)力：一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)車道荷載為1 560 kN，車道數(shù)為2，一聯(lián)橋面的制動(dòng)力為1560×2×10%=312kN，7號(hào)墩按剛度分配的制動(dòng)力為51.938 54 kN。

7號(hào)墩溫度力與制動(dòng)力合計(jì)為125.541 8 kN。距柱底13.3 m。

表1 7號(hào)橋墩標(biāo)高與樁長(zhǎng)

4.4 恒載

根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算，柱底以上恒載為2 690.968 kN，縱向汽車荷載1 512.635 kN，橫向汽車荷載978.763 5 kN。豎向力+縱向水平力組合豎向力+縱向水平力荷載組合計(jì)算如下：柱底組合縱向彎矩1 048 kN；豎向力+橫向水平力荷載組合計(jì)算497.1 kN。

4.5 樁、柱截面強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果匯總

根據(jù)JTG D63-2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.3.3條第一款。單樁軸向受壓承載力容許值：

表2 7號(hào)墩柱、柱截面強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗(yàn)算

表3 柱底截面強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗(yàn)算

7號(hào)墩驗(yàn)算結(jié)果匯總?cè)缦拢贺Q向力+縱向水平力組合下：采用JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》式5.3.9-1計(jì)算柱底截面荷載組合為5 056.373 kN，抗力 5 269.112 kN，富裕度 1.041 456；采用JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》式5.3.9-2計(jì)算柱底截面荷載組合為2 150.236 kN，抗力2 278.787 kN，富裕度1.059 785；采用JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》式5.3.1計(jì)算柱底截面荷載組合為5 059.373 kN，抗力8 699.668 kN，富裕度1.719 515；驗(yàn)算結(jié)果顯示當(dāng)豎向力和縱向水平力組合時(shí)，7號(hào)墩的柱底截面最危險(xiǎn)，按JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》式5.3.9-1、5.3.9-2驗(yàn)算截面承載力富裕量最小，僅5%左右，基本滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。計(jì)算中所采用的相關(guān)參數(shù)、公式主要根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范選取。但個(gè)別工況(如30℃的+收縮徐變溫差，受壓構(gòu)件的長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)1.1和0.5等)則是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)假定。當(dāng)遇到超過(guò)假定工況的極端天氣、水文和車輛超載等現(xiàn)象時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)仍有很大的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

水流沖刷會(huì)使橋梁承載力下降。該橋梁建成至今，由于橋位處水流沖刷造成橋墩高度的大幅增加，水流對(duì)橋墩樁、柱的沖蝕造成橋墩截面的削弱、偏心的增大，對(duì)橋梁的安全均構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。應(yīng)及時(shí)對(duì)河床進(jìn)行加固，對(duì)已經(jīng)沖蝕的截面進(jìn)行修復(fù)。針對(duì)河水沖刷防護(hù)有石籠防護(hù)、漿砌片石防護(hù)。針對(duì)樁基表面混凝土剝落和鋼筋外露，可采用外包混凝土進(jìn)行修補(bǔ)。