基于扶壁式桁架結(jié)構(gòu)的樁柱式橋臺(tái)加固新法

尚 剛， 高澤宇

(1. 安陽(yáng)西北繞城高速公路有限公司， 河南 安陽(yáng) 455000； 2. 湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

截止到2017年底，全國(guó)公路橋梁已達(dá)83.25萬(wàn)座，其中中小型橋梁占比高達(dá)88.42%[1]。由此可見,絕大多數(shù)橋梁均是中小型結(jié)構(gòu)，而樁柱式橋臺(tái)由于施工方便，受力明確，構(gòu)造處理簡(jiǎn)單，以及造價(jià)相對(duì)低廉而成為這類橋梁的主要橋臺(tái)形式。

然而，工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，雖然樁柱式橋臺(tái)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其抗推剛度小，容易發(fā)生傾斜和樁(柱)開裂，承載力低等不利因素制約了其應(yīng)用。許多既有樁柱式橋臺(tái)，由于臺(tái)后填土滑動(dòng)、路堤加高、車輛沖擊作用、施工順序不當(dāng)?shù)龋瑢?dǎo)致在施工或使用期間，樁(柱)身出現(xiàn)環(huán)向裂縫或傾斜(圖1)。針對(duì)以上問(wèn)題，既有的解決方案大多采取基樁注漿或錨定加固法。雖然這些方法均能在一定程度上提高基樁承載力和穩(wěn)定性，但是由于前者主要靠改善樁周摩擦力來(lái)提高基樁承載力，橋臺(tái)抗推剛度幾乎未得到改善；后者較大程度上提高了橋臺(tái)抗推剛度，但是基樁承載力并未提高，且這種加固方式容易受到臺(tái)后路堤填土土質(zhì)和密實(shí)度影響，一旦路堤填土出現(xiàn)塌方或滑坡，這些加固方式可能失效。

圖1 土壓力下的樁柱傾斜、開裂

針對(duì)既有樁柱式橋臺(tái)加固方式的不足，國(guó)內(nèi)外已開展了大量研究和工程實(shí)踐，如黃龍?zhí)锏萚2]針對(duì)江門潮連大橋樁柱式橋墩在被動(dòng)土壓力下發(fā)生大量環(huán)向裂縫，根據(jù)裂縫分布規(guī)律和土壓力分析結(jié)果，在橋墩橫橋向增設(shè)新基樁，并用承臺(tái)與既有墩柱底部相連，替代原失效結(jié)構(gòu)；通過(guò)建立不同邊坡坡度下的橋梁基樁試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，文獻(xiàn)[3～5]深入探討了高陡橫坡下樁柱式橋梁雙樁基礎(chǔ)的破壞模式和承載機(jī)理，表明高填方橫陡坡樁柱內(nèi)力分布規(guī)律與陡坡單樁及雙排抗滑樁差異顯著。軟土地基橋梁臺(tái)后擋土墻向河心側(cè)傾斜，導(dǎo)致樁柱式橋臺(tái)承受成倍增加的水平推力，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重病害，郭義飛[6]在分析病害機(jī)理和病害特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)單跨橋梁結(jié)構(gòu)，提出采用兩橋臺(tái)之間設(shè)置支撐梁，形成主梁和新增支撐梁的“口”字形結(jié)構(gòu)抵擋臺(tái)后土壓力。但該方法只能適用于跨度10 m以下的單跨結(jié)構(gòu)，且施工過(guò)程中不能大量開挖橋下河床，否則將可能導(dǎo)致病害瞬間惡化；文獻(xiàn)[7，8]探討了在地鐵和深基坑建設(shè)中的臨時(shí)支擋結(jié)構(gòu)，這些研究成果對(duì)治理樁柱式橋臺(tái)結(jié)構(gòu)具有重要的借鑒意義；李逸等[9]研究順層邊坡在地震下的穩(wěn)定性問(wèn)題，研究成果對(duì)該地段橋梁墩臺(tái)穩(wěn)定性和病害防治具有重要提示作用。大量的既有研究和工程實(shí)踐較大程度上規(guī)避了樁柱式橋臺(tái)的不足，促進(jìn)了其發(fā)展。然而，對(duì)于出現(xiàn)傾斜開裂的樁柱式橋臺(tái)，有效的加固措施仍顯匱乏，亟待研發(fā)加固效果顯著且便于實(shí)施的加固方法。

基于上述考慮和某樁柱式橋臺(tái)在施工期間的成功加固，研究提出了扶壁式桁架加固樁柱式橋臺(tái)新方法。該方法可以大幅度提高橋臺(tái)水平抗推剛度、承載力和穩(wěn)定性，且具有施工簡(jiǎn)單和不影響外觀等優(yōu)點(diǎn)。

1 扶壁式桁架加固樁柱式橋臺(tái)

1.1 加固構(gòu)思

樁柱式橋臺(tái)的顯著特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，傳力路徑明確，同時(shí)施工非常便利，無(wú)需對(duì)路堤大填大挖。然而，由于其抗推剛度較低，其典型病害往往是在車載和臺(tái)后土壓力作用下，土體形成向河心側(cè)滑動(dòng)，造成橋臺(tái)前傾(圖2a)，從而導(dǎo)致樁(或柱)身開裂和失穩(wěn)，橋面伸縮縫擠壓、失效，且一旦基樁承載力降低，加固相對(duì)困難。這種現(xiàn)象在高填方路橋銜接段表現(xiàn)尤為突出，進(jìn)而威脅橋梁安全。

為此，研發(fā)了扶壁式桁架結(jié)構(gòu)加固樁柱式橋臺(tái)，該加固方式的構(gòu)思是，在橋臺(tái)河心側(cè)一定距離處新增基樁(圖2b)，樁頂通過(guò)縱橫連梁、斜撐與原橋臺(tái)基樁連接，形成扶壁結(jié)構(gòu)支撐原橋臺(tái)，新老結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成桁架，可大幅度提高原橋臺(tái)抗推剛度、承載力和穩(wěn)定性。這種加固方式的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是，剛度和基樁承載力提高幅度可以借助新老基樁的順橋向間距L、斜撐與樁柱的連接位置和新增基樁的長(zhǎng)度H4(圖2b)方便地人為調(diào)控。

圖2 扶壁式桁架加固樁柱式橋臺(tái)

1.2 抗推剛度和承載力

(1)臺(tái)頂抗推剛度變化

為適應(yīng)主梁伸縮，臺(tái)口一般設(shè)置滑動(dòng)支座，略去伸縮縫的微小水平抗推作用，則樁柱式橋臺(tái)相當(dāng)于底部彈性約束，上部自由的懸臂結(jié)構(gòu)(圖3a)。以河床線之下的土層約束基樁考慮(為方便對(duì)比且不失一般性，可假定柱底即土層頂面處固結(jié))，在臺(tái)頂單位力作用下該結(jié)構(gòu)的水平抗推剛度為Kz為：

(1)

式中：EI為樁(柱)抗彎剛度；H1見圖2b。圖3d所示采用扶壁式桁架加固后的橋臺(tái)，其實(shí)質(zhì)上已經(jīng)轉(zhuǎn)變成類似肋板式橋臺(tái)結(jié)構(gòu)了。假定斜撐頂部在墩頂，縱向聯(lián)梁設(shè)置在河床頂面，則加固后的橋臺(tái)臺(tái)頂單位力作用下的水平抗推剛度KH(約束條件同上，并略去斜撐的變形影響)為：

(2)

以H1=6 m，H2=2 m，H3=4 m，L=4 m(各符號(hào)含義見圖2b)，橋臺(tái)樁(柱)直徑為1.5 m，斜撐和連梁截面尺寸為0.8 m×0.8 m，采用C30混凝土，并假定柱底即土層頂面處固結(jié)，則樁頂單位力作用下，加固前后結(jié)構(gòu)效應(yīng)如圖3b，3c,3f，3g。

圖3 單位力作用下加固前后結(jié)構(gòu)效應(yīng)

由圖3可知，樁柱式橋臺(tái)扶壁式桁架加固前后，在單位力作用下，橋臺(tái)樁身最大彎矩由6.0 kN·m 降至2.0 kN·m，撓度由0.00996 mm降至0.00288 mm，彎矩和變形降幅分別高達(dá)66.7%和71.1%?？梢?，扶壁式桁架加固法對(duì)提高樁柱式橋臺(tái)剛度效果非常顯著。

(2)橋臺(tái)基樁承載力變化

假定新老基樁土層一致且單一，兩者樁徑相同，以鉆(挖)孔摩擦樁為例，忽略樁端土層承載力的貢獻(xiàn)，則橋臺(tái)基樁承載力與樁長(zhǎng)呈線性變化：

(3)

式中：[Ra]為單樁軸向受壓承載力容許值(kN)；u為樁身周長(zhǎng)(m)；n為土層數(shù)；li為承臺(tái)底面或局部沖刷線以下各層土的厚度(m)，擴(kuò)孔部分不計(jì)；qik為與li對(duì)應(yīng)的各層土與樁側(cè)的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)。

由式(3)可見，基樁承載力提高系數(shù)與樁長(zhǎng)呈正比。因此，為達(dá)到目標(biāo)承載力，可通過(guò)調(diào)整新增基樁的長(zhǎng)度H4實(shí)現(xiàn)。

2 扶壁式桁架的合理構(gòu)造

雖然在橋臺(tái)河心側(cè)增設(shè)扶壁式結(jié)構(gòu)，與樁柱式橋臺(tái)形成新的桁架結(jié)構(gòu)可以大幅度增加橋臺(tái)抗推剛度和承載力。但是，新增的連梁、斜撐和基樁也不可隨意布置，否則不僅改變了原橋臺(tái)樁(柱)受力模式，且可能導(dǎo)致樁(柱)身局部應(yīng)力過(guò)大，造成結(jié)構(gòu)新的損傷。同時(shí)，若新增基樁的間距等參數(shù)布置不合理，除了影響臺(tái)前護(hù)坡設(shè)置外，也將可能導(dǎo)致連梁尤其是斜撐受力不利。因此，為獲得合適的扶壁桁架結(jié)構(gòu)參數(shù)，即取得合理的斜撐與樁(柱)身連接點(diǎn)、新老基樁間距L等參數(shù)，需深入進(jìn)行不同參數(shù)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析。

加固之后的橋臺(tái)，在土壓力作用下(以單位均布荷載作用于樁(柱)身，方向?yàn)樗较蚝有膫?cè))，隨著斜撐與樁(柱)結(jié)點(diǎn)位置H3和新老基樁間距L的變化，樁(柱)身及斜撐響應(yīng)規(guī)律如圖4。

圖4 H3和L變化與樁(柱)身及斜撐響應(yīng)

由圖4a，4b可見，隨著斜撐與樁(柱)結(jié)點(diǎn)位置降低，也即H3逐漸減小，樁(柱)頂變形不斷增加，樁(柱)身負(fù)彎矩(背河心受拉為負(fù))隨之升高，樁(柱)身正彎矩及其對(duì)應(yīng)的變形逐漸減弱。過(guò)大或過(guò)小的彎矩及其變形都是不可取的，因此合理的結(jié)構(gòu)布置應(yīng)該是兩者較為均勻分布的原則。當(dāng)H3在0.6H1附近，也即斜撐與樁(柱)結(jié)點(diǎn)大約位于樁(柱)地面以上高度的0.6倍時(shí)，由圖4a可見，樁(柱)身正負(fù)彎矩兩條曲線在此范圍交叉，此時(shí)樁(柱)身正負(fù)彎矩均達(dá)到較小值，扶壁式桁架結(jié)構(gòu)受力較為合理。

同樣，從圖4d不難發(fā)現(xiàn)，隨著新老基樁間距L的不斷減小，土壓力下樁(柱)頂部水平變形增大，即意味著扶壁式桁架結(jié)構(gòu)的整體剛度逐漸降低，此時(shí)，斜撐彎矩略增大，軸力降低(圖4c)，則新增基樁的有效作用在削弱。理論上講，越大的基樁間距，可以獲得更佳的抗推剛度，但斜撐壓力也將增加，需要更大的截面尺寸獲得足夠的穩(wěn)定性，同時(shí)，基樁間距也要受控于規(guī)范所規(guī)定的最小間距要求。因此，綜合上述意見和工程實(shí)踐，建議新老基樁間距L介于2.5d～4.0d(d為基樁直徑)之間，可獲得各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)的均衡。

3 工程實(shí)例

某3×10 m空心板橋，橋面寬度12.5 m，橋臺(tái)填土高度7.9 m(原地面至河床面高3 m，臺(tái)后道路路基填高4.9 m)，設(shè)計(jì)荷載公路-II級(jí)，墩臺(tái)均為樁柱式結(jié)構(gòu)，樁徑1.1 m，柱徑1.0 m。

建設(shè)過(guò)程中，橋臺(tái)做好，主梁架設(shè)之前，施工單位就開始填筑臺(tái)后4.9 m高的填土，完成填土后，發(fā)現(xiàn)臺(tái)身向河心側(cè)傾斜多達(dá)5.9 cm(圖5a)。

圖5 某橋臺(tái)加固方案

上述問(wèn)題出現(xiàn)后，施工單位立即停止施工，經(jīng)深入分析，其病害原因?yàn)椋?1)由于臺(tái)后路基填土較高，設(shè)計(jì)采用樁柱式橋臺(tái)并不合理，且樁徑偏??；(2)施工填土順序不正確，臺(tái)前臺(tái)后填土均應(yīng)分層夯實(shí)，而實(shí)際施工關(guān)注臺(tái)后填土，忽略了臺(tái)前填土的同步和填筑質(zhì)量，且最好在主梁架設(shè)后填筑。

由于橋臺(tái)前傾量較大，不僅臺(tái)身可能發(fā)生環(huán)向開裂，而且壓縮了臺(tái)口間隙影響主梁落梁，更重要的是，橋臺(tái)抗推剛度無(wú)法滿足實(shí)際需要，需采取綜合加固措施，方可確保結(jié)構(gòu)安全和后期正常運(yùn)營(yíng)。為此，選擇在臺(tái)前增設(shè)扶壁式結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固：首先開挖已經(jīng)填筑的填土，讓基樁盡可能復(fù)位。之后，在原基樁對(duì)應(yīng)的臺(tái)前，分別施工三根基樁，新老基樁間距為3.5 m，在原橋臺(tái)樁身植筋，采用斜撐和連梁將新老結(jié)構(gòu)連成一體，最終形成桁式框架結(jié)構(gòu)(圖5b，5c)，并在其上設(shè)置臺(tái)前護(hù)坡，施工完成后，橋梁外觀與原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并無(wú)差異。經(jīng)加固后，橋臺(tái)水平抗推剛度提高了71%，基樁承載力提高了26.3%。該橋已運(yùn)營(yíng)多年，橋面臺(tái)口伸縮縫未出現(xiàn)擠壓現(xiàn)象，表明橋臺(tái)未再繼續(xù)向河心側(cè)發(fā)生位移，運(yùn)營(yíng)狀況良好。

4 結(jié) 論

(1)基于樁柱式橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，扶壁式桁架結(jié)構(gòu)是一種力學(xué)性能合理并經(jīng)實(shí)踐證明有效的加固方法；

(2)加固后的結(jié)構(gòu)抗推剛度和承載力相比原結(jié)構(gòu)有大幅度提高，且可以人為控制預(yù)期增量；

(3)選擇合適的新老基樁間距L和斜撐與樁(柱)結(jié)點(diǎn)高度H3等參數(shù)，是確保扶壁式桁架結(jié)構(gòu)有效發(fā)揮作用，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)新的損傷的重要保證。