跨海大橋墩柱及樁基礎(chǔ)病害成因分析

■趙丹丹

（福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004）

1 工程概述

某跨海大橋位于現(xiàn)有海堤西側(cè)約105m處，與海堤平行，橋梁全長519.4m，最小平曲線半徑R=450m，最小豎曲線半徑R=3500m。橋面縱坡為2%。通航孔處設(shè)半徑為4500m豎曲線，曲線中心橋面高程為12.51m。

該橋橋式布置為：（29.7+4×30）+（4×40）+（3×30）+（3×30+29.7）m簡支T梁，共四聯(lián)，橋面采用行車道板與鋪裝均連續(xù)的構(gòu)造。其中40mT梁梁高2.4m，采用C50砼，預(yù)應(yīng)力筋采用5-Φj15.24高強度低松弛鋼絞線，彈性模量Ey=1.9×105MPa，標(biāo)準(zhǔn)強度Ryb=1860MPa。每孔布置7片T梁，梁間距2.3m，兩片T梁間設(shè)有0.5m濕接縫。預(yù)留拱度為按二次拋物線跨中下拱8.3cm。30mT梁梁高2.0m，采用C40砼，每孔布置7片T梁，梁間距2.3m，兩片T梁間設(shè)有0.5m濕接縫。預(yù)留拱度為按二次拋物線跨中下拱6.5cm。人行道板預(yù)制拼裝采用C30砼。

40mT梁下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩，兩墩柱間的蓋梁采用 “凸”形截面的預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力筋采用12-Φj15.24高強度低松弛鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強度Ryb=1860MPa。墩柱直徑為Φ1.6m，鉆孔樁直徑為Φ2.0m，樁長16～36.6m，均嵌入微風(fēng)化基巖。兩墩柱間設(shè)置1.8×1.2m系梁。蓋梁采用C40砼，墩柱、系梁采用C30砼，鉆孔樁采用C25水下砼。30mT梁下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩，兩墩柱間的蓋梁采用“凸”形截面的預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)。墩柱直徑為Φ1.5m，鉆孔樁直徑為Φ1.8m，樁長14.2～49m，均嵌入微風(fēng)化基巖。兩墩柱間設(shè)置1.6×1.0m系梁。蓋梁采用C40砼，墩柱、系梁采用C30砼，鉆孔樁采用C25水下砼。

橋梁設(shè)計荷載為汽車-20級、掛-100，人群荷載為3.5kN/m2。橋梁全景如圖1所示。

圖1 某跨海大橋全景圖

2 外觀病害情況

利用橋檢車對該橋墩臺進(jìn)行詳細(xì)的外觀檢查，并對病害較為嚴(yán)重的20根樁基和10根系梁進(jìn)行水下探摸檢測，主要病害情況如下：

（1）墩臺：橋臺臺帽3處銹脹露筋，共計長3.60m；橋臺臺身側(cè)墻1條斜向裂縫，縫長3.50m，縫寬0.30mm；蓋梁25處砼掉塊露筋，共計面積S=3.85m2；蓋梁33處銹脹露筋，共計長10.90m；墩柱12處砼掉塊露筋，最大面積S=4.00×1.50m2（見圖 2），共計面積 S=21.16m2；墩柱 1 處銹脹露筋，長1.00m；墩柱橫系梁1處砼掉塊露筋，面積S=4.30m2；墩柱橫系梁1處銹脹露筋，長0.20m。

（2）樁基礎(chǔ)：20根基礎(chǔ)樁樁身從橫系梁下方60cm～120cm開始到海床部分段有鋼護(hù)筒包裹；8根基礎(chǔ)樁共有8處破損，最大破損寬度和高度均為80cm，最大破損深度12cm，沒有發(fā)現(xiàn)鋼筋外露；2根基礎(chǔ)樁各有1處網(wǎng)格狀破損，且鋼筋已經(jīng)完全腐蝕（見圖3），破損寬度均為160cm，破損高度均為80cm，最大破損深度15cm（見圖 4）；1根基礎(chǔ)樁表面整圈混凝土有破損，破損高度120cm，最深約13cm，鋼筋網(wǎng)外露；1根橫系梁表面有6處豎向銹脹露筋。

圖2 墩柱表面砼掉塊露鋼筋網(wǎng)

圖3 樁頂砼網(wǎng)格狀破損，鋼筋完全腐蝕

圖4 樁頂砼破損，深度最大15cm

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，該大橋橋墩評分為65.1，技術(shù)狀況等級評定為三類；樁基礎(chǔ)評分為55.0，技術(shù)狀況等級評定為四類。

3 無損檢測

對該橋外觀病害最嚴(yán)重的9-1、9-2#墩柱進(jìn)行無損檢測，主要包括鋼筋保護(hù)層厚度檢測、鋼筋銹蝕電位檢測、混凝土強度和碳化深度測試。

3.1 鋼筋保護(hù)層厚度檢測

利用鋼筋保護(hù)層測試儀對9-1、9-2#墩柱進(jìn)行鋼筋保護(hù)層厚度檢測，根據(jù)鋼筋保護(hù)層厚度特征值Dne與設(shè)計值Dnd的比值，依據(jù)文獻(xiàn)[4]相關(guān)規(guī)定來確定鋼筋保護(hù)層厚度評定標(biāo)度。檢測結(jié)果見表1所示，9-1、9-2#墩柱鋼筋保護(hù)層厚度特征值Dne分別為30.99mm和30.95mm，Dne/Dnd均為 0.56，處于（0.55，0.70]范圍內(nèi)，查文獻(xiàn)[4]可知墩柱鋼筋保護(hù)層厚度評定標(biāo)度均為4，其對結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性有較大影響。

表1 9-1、9-2#墩柱鋼筋保護(hù)層厚度檢測結(jié)果

3.2 鋼筋銹蝕電位檢測

采用半電池電位法，對9-1、9-2#墩柱進(jìn)行鋼筋銹蝕電位檢測，根據(jù)構(gòu)件測區(qū)銹蝕電位水平最低值，依據(jù)文獻(xiàn)[4]相關(guān)規(guī)定來確定鋼筋銹蝕電位評定標(biāo)度，評定構(gòu)件鋼筋發(fā)生銹蝕的概率或銹蝕活動性。檢測結(jié)果如表2所示，9-1#墩柱鋼筋銹蝕電位最低值為-365mV，9-2#墩柱鋼筋銹蝕電位最低值為-332mV，均處于（-300，400］范圍內(nèi)，查文獻(xiàn)[4]可知墩柱鋼筋銹蝕電位評定標(biāo)度均為3，墩柱鋼筋有銹蝕活動性，發(fā)生銹蝕概率大于90%。

表2 9-1、9-2#墩柱鋼筋銹蝕電位檢測結(jié)果

3.3 混凝土強度和碳化深度檢測

采用回彈法對9-1、9-2#墩柱進(jìn)行混凝土強度測試，根據(jù)構(gòu)件實測強度推定值計算其推定強度勻質(zhì)系數(shù)Kbt，并對進(jìn)行混凝土強度回彈測試的墩柱進(jìn)行混凝土碳化深度測試，根據(jù)測區(qū)碳化深度平均值與實測保護(hù)層厚度平均值的比值Kc，依據(jù)文獻(xiàn)[4]相關(guān)規(guī)定來確定混凝土強度評定標(biāo)度和混凝土碳化評定標(biāo)度。檢測結(jié)果見表3所示，9-1、9-2#墩柱混凝土推定強度勻質(zhì)系數(shù)Kbt均為1.01，碳化深度平均值與實測保護(hù)層厚度平均值的比值Kc分別為0.164和0.166，查文獻(xiàn) [4]可知，墩柱混凝土強度評定標(biāo)度均為1，碳化深度評定標(biāo)度值均為1。

表3 9-1、9-2#墩柱混凝土強度和碳化深度檢測結(jié)果

4 病害成因分析

該橋墩柱和樁基礎(chǔ)病害較為嚴(yán)重，從設(shè)計角度出發(fā)，結(jié)合實體檢測來考慮，我們認(rèn)為有以下幾個方面的原因：

（1）根據(jù) 《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》（JTJ275-2000），大氣區(qū)、浪濺區(qū)和水下區(qū)的構(gòu)件主筋最小保護(hù)層厚度規(guī)范值分別為55mm、70mm和55mm，而位于大氣區(qū)的墩柱主筋保護(hù)層厚度設(shè)計值為37.5mm，均不滿足規(guī)范值要求，位于水下區(qū)的樁基礎(chǔ)主筋保護(hù)層厚度設(shè)計值為57.5mm，但其樁頭部分位于浪濺區(qū)，也不滿足規(guī)范值要求。實際上，從對墩柱的無損檢測結(jié)果來看，墩柱的鋼筋保護(hù)層厚度實測值明顯小于設(shè)計值，故構(gòu)件主筋保護(hù)層厚度設(shè)計值和實測值均偏薄是導(dǎo)致墩柱銹脹、掉塊露筋、樁基礎(chǔ)破損腐蝕的主要原因；

（2）墩柱和樁基礎(chǔ)的混凝土設(shè)計強度等級為C30和C25，滿足 《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》（JTJ275-2000）的相應(yīng)最低強度等級C30和C25要求。但是根據(jù) 《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》（GB/T 50476-2008）規(guī)定，相應(yīng)構(gòu)件混凝土最低強度等級均為C45，可見其設(shè)計強度等級不能滿足新規(guī)范的要求。從對墩柱的無損檢測結(jié)果來看，墩柱的混凝土強度實測值雖然稍大于設(shè)計值C30，但是明顯小于規(guī)定值C45。故構(gòu)件混凝土設(shè)計強度等級偏低是導(dǎo)致墩柱銹脹、掉塊露筋和樁基礎(chǔ)破損腐蝕的主要原因；

（3）另外，樁基礎(chǔ)頂部長期經(jīng)受海水漲落潮和沖蝕作用，也極大加重了其腐蝕病害程度。

5 結(jié)論

該大橋處于沿海地區(qū)，環(huán)境條件較為典型，通過對其進(jìn)行外觀檢查和無損檢測，分析病害成因，得出如下結(jié)論：

（1）該跨海大橋橋墩及其樁基礎(chǔ)外觀病害較為嚴(yán)重，特別是墩柱表面砼掉塊露鋼筋網(wǎng)，樁基礎(chǔ)頂部砼網(wǎng)格狀破損（深度最大15cm）、鋼筋完全腐蝕。墩柱和樁基礎(chǔ)技術(shù)狀況等級分別評定為三類和四類；

（2）墩柱鋼筋保護(hù)層厚度評定標(biāo)度為4，其對結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性有較大影響；墩柱鋼筋銹蝕電位評定標(biāo)度為3，鋼筋有銹蝕活動性，發(fā)生銹蝕概率大于90%；墩柱混凝土強度和碳化深度評定標(biāo)度均為1；

（3）從設(shè)計角度考慮，該橋墩柱和樁基礎(chǔ)的主筋保護(hù)層厚度設(shè)計值偏薄，以及混凝土設(shè)計強度等級偏低是導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重病害的主要原因；從實體檢測結(jié)果來看，墩柱的鋼筋保護(hù)層厚度實測值明顯小于設(shè)計值，混凝土強度實測值雖然稍大于設(shè)計值C30，但是明顯小于規(guī)定值C45，這也是導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重病害的重要原因；另外，樁基礎(chǔ)頂部長期經(jīng)受海水漲落潮和沖蝕作用，也極大加重了其腐蝕病害程度；

（4）鑒于該大橋墩柱和樁基礎(chǔ)病害較為嚴(yán)重，無論是從安全性角度考慮，還是從耐久性角度出發(fā)，均要及時進(jìn)行修復(fù)和加固處理。

[1]劉文輝.淺談沿海地區(qū)橋梁的耐久性設(shè)計[J].北方交通，2007（7）：56-57.

[2]JTJ 275-2000，海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范[S].

[3]JTG/T H21-2011，公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].

[5]GB/T 50476-2008，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范[S].