基于下臥軟土斜坡的橋臺變形綜合監(jiān)測及治理分析

■申曉彤

(福建省交通安全質量監(jiān)督局，福州 350001)

1 前言

經(jīng)多年運營，國省干線聯(lián)六線某大橋橋臺處出現(xiàn)混凝土開裂、掉塊、橋梁支座錯位、橋臺土體隆起等工程病害(見圖1～2)。該大橋梁跨越河溝及省道，場區(qū)屬剝蝕微丘及沖海積平原地貌，6號臺靠近山側，坡體殘坡積土，下伏花崗巖及其風化層；0號厚層軟土。兩側橋臺及橋墩采用樁基礎，以中風化花崗巖為基礎持力層。上部構造采用5×25mPC連續(xù)T梁橋，橋梁全長129m。下部構造橋墩采用柱式墩、基礎為樁基；橋臺為肋臺配樁基礎。

為了及時了解和掌握橋臺動態(tài)變形發(fā)展情況，為治理措施提供依據(jù)，對大橋橋臺及軟土深層變形進行綜合監(jiān)測。

圖1 現(xiàn)場工程病害(橋臺開裂、支座滑移)

圖2 現(xiàn)場工程病害(橋臺變形懸空)

2 綜合監(jiān)測方法及設備

2.1 監(jiān)測方法

2.1.1 橋臺及墩柱位移監(jiān)測

根據(jù)結構物特征設計布置48個位移監(jiān)測點，分別在左右幅6號橋臺、左右幅0號橋臺及左右幅5號墩柱、左右幅1號墩柱上。選擇粘貼反光片的方式進行布置監(jiān)測點(如圖3)。通過全站儀對監(jiān)測點的坐標變化情況進行測量，監(jiān)測橋臺及墩柱位移。

圖3 現(xiàn)場位移監(jiān)測點布置圖

2.1.2 傾角監(jiān)測

臺背位置為填方路基，路基填筑施工可能會對附近橋臺產(chǎn)生影響，利用傾角儀測試法監(jiān)測可以及時反饋橋臺及墩柱受到的影響情況。設計布置了18個傾角監(jiān)測點，左幅6號臺、左右幅5號墩柱、左右幅0號臺、左右幅1號墩柱分別布置兩個，右幅6號臺布置了4個，如圖4所示。

(1)傾角儀測試法主要工作原理

將固定式傾角儀安裝在橋梁結構物上，當結構物發(fā)生變形，傾角儀可以測量出結構物相對于重力軸線的傾角，使用安裝位置的幾何尺寸，就可以推算出結構物監(jiān)測點位移情況。

(2)測量及安裝方法

固定式傾角儀安裝通過膨脹螺栓直接固定到結構體上，也可以在結構體上先搭建一個平臺，使用三角支架和鐵板，傾角儀再固定到平臺上。現(xiàn)場可通過電腦使用相關軟件直接進行測試，利用電腦接觸的RS485轉換器測量。

圖4 現(xiàn)場傾斜計監(jiān)測點

2.1.3 深層土體水平位移監(jiān)測

由于淤泥土抗剪強度低，隨著荷載的施加，淤泥層有可能在荷載作用下發(fā)生剪切破壞而側向擠出，從而導致地基失穩(wěn)。埋設測斜管可監(jiān)測軟土層在荷載作用下不同深度處的側向變形情況。

(1)儀器設備

采用由測斜探頭、讀數(shù)器和測斜管組成的測斜系統(tǒng)進行。測斜管是一種可精確地測量沿垂直方向土層或圍護結構內部水平位移的工程測量儀器，擬采用目前廣泛應用的高精度測斜管(規(guī)格 70，外徑：φ70，內徑：φ59，導槽寬：5.4，導槽深：2，管長：2m 或 4m，壁厚偏差：≤14%，導管扭角：≤0.2°/m)。

測斜管的工作原理是根據(jù)擺錘受重力作用為基礎測定以擺錘為基準的弧角變化，從而計算土體在不同高程的水平位移。當土體產(chǎn)生位移時，埋入土體中的測斜管隨土體同步位移，測斜管的位移量即為土體的位移量。一般先在土體中埋設一豎直、互成90°的4個導槽的PVC測管，測管在土體中受力變形，將測斜儀探頭放入測斜管導槽內，放入測斜管內的活動測頭，每間隔一定距離測出的量是各個不同分段點上測斜管的軸與垂直線的夾角傾角變化 ΔXi， 而該段測管相應的位移增量 ΔSi為：ΔSi＝Li·SinΔXi，式中Li為各段點之間的單位長度。測得各分段位移后，可由測斜管底部或頂部為基準開始累加，求得任一高程處的實際位移數(shù)值。

當測斜管埋設的足夠深時，管底可以認為是位移不動點，管口的水平位移值Δn就是各分段位移增量的總和：

在測斜管兩端都有水平位移的情況下，需要實測管口的水平位移Δ0，并向下推算各測點的水平位移值Δ，即：

測斜管可以測單向位移，也可測雙向位移。

(2)布設方法

用鉆探成孔法鉆孔至設計孔深，要求測斜管嵌入軟土下相對穩(wěn)定層不小于2m，以作為嵌固端。在清干凈孔內淤泥后，放入測斜管，管側用細砂等材料回填，且充填物的變形模量介于槽管和周圍土層之間，如圖5。

圖5 測斜管測量原理及埋設示意圖

(3)測量方法

測量時，將活動式測頭放入測斜管，使測頭上的導向滾輪卡在測斜管內壁的導槽中，沿槽滾動，活動式測頭可連續(xù)測定沿測斜管整個深度的水平位移變化。

(4)監(jiān)測資料的整理、分析

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)繪制位移-深度曲線。繪制時以孔底為基準點，并分析不同土層間的水平相對位移，計算土層不同深度的側向位移及其位移速率，分析其潛在破壞面和穩(wěn)定性。本次監(jiān)測共設計布置22個測斜孔。

2.2 監(jiān)測設備

監(jiān)測工作所使用的儀器設備見下表1：

表1 儀器設備概況表

3 現(xiàn)場監(jiān)測情況及數(shù)據(jù)分析

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測情況

按處理方案進行綜合整治后，于2017年9月6日至2017年9月25日間再進行第二階段工后效果監(jiān)測。

3.2 橋臺變形處治前監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析

布置在橋臺及墩柱各監(jiān)測點的縱向位移較小，未見明顯發(fā)展。

水平位移監(jiān)測結果顯示：6#承臺上各位移監(jiān)測點的位移有發(fā)展，最大累計水平位移量8.1mm(監(jiān)測點WZ6-4，左幅6#承臺(蓋梁))；0#承臺監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示本階段位移有發(fā)展，最大累計水平位移量5.5mm(監(jiān)測點WZ0-1，左幅0#承臺(蓋梁))。通過對布置在6#、0#橋臺上的位移監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)總體分析，各位移監(jiān)測點數(shù)據(jù)顯示位移發(fā)展趨勢是由6#橋臺向5#橋墩的方向。

(1)測點位移監(jiān)測結果分析：由于橋臺卸載，加上原橋臺已位移較大(伸縮縫已基本達位移極限)，目前變形量已較小。但如不及時處理，結構次應力加劇，結構破壞不可預見。

(2)各傾角監(jiān)測點數(shù)據(jù)顯示：本階段各傾角監(jiān)測點的傾角數(shù)據(jù)有存在波動情況，6#承臺傾角監(jiān)測點QZ6-2(左幅 6# 承臺)、QZ6-5(左幅 6# 承臺)、QY6-1(右幅 6# 承臺)、QY6-4(右幅6#承臺)的傾角存在變形發(fā)展，傾向朝向橋梁方向。QZ6-5(左幅6#承臺)的傾角最大，最大傾角為540"。

(3)傾角儀監(jiān)測結果分析：該監(jiān)測數(shù)據(jù)僅作為總體變形趨勢分析。橋梁承臺傾角有所變形，且左幅較大，說明左幅墩柱及橋臺仍在受力，變形有所發(fā)展。

由表1可知，相對原生產(chǎn)菌株，新菌株的種曲孢子數(shù)平均降低14.6%，圓盤制曲成曲孢子數(shù)平均降低46.29%，同時中性蛋白酶提升38.46%，谷氨酰胺酶提升18.25%，淀粉酶方面表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，與篩選時的結果一致，論證了該菌株在制曲質量方面的突出優(yōu)勢。

(4)深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：深層水平位移監(jiān)測孔 A1、A2、A3(布點位置：右幅 6# 承臺(臺背))淺部土體范圍水平位移仍在發(fā)展；深層水平位移監(jiān)測孔A6(布點位置：右幅6#承臺橋下)距孔口約7.5m深度范圍位移有發(fā)展；深層水平位移監(jiān)測孔B15(布點位置：左幅6#承臺橋下)距孔口約9m深度范圍位移有發(fā)展。

(5)深孔位移監(jiān)測結果分析：由于埋置時間較短，目前主要反映位移發(fā)展的深度位置，位移量較小。各項監(jiān)測數(shù)據(jù)結果顯示6#承臺仍存在著變形發(fā)展趨勢，整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

監(jiān)測數(shù)據(jù)及曲線詳見圖7～10。

3.3 橋臺變形原因分析

根據(jù)深孔位移監(jiān)測鉆孔顯示，綜合所有監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場變形情況，初步分析橋臺變形主要原因：6#臺靠近山體，從6#臺往5#墩方向軟土由薄變厚，軟土厚度從2.3m變厚至11.4m，即軟土存在下臥硬層斜面，在高填方荷載作用下，軟土發(fā)生蠕移，進而引起結構變形。

圖6 綜合監(jiān)測點布置示意圖

3.4 針對橋臺變形的綜合處治方案

針對現(xiàn)場情況結合對監(jiān)測成果的分析，為保證橋臺地基及橋梁結構的穩(wěn)定安全，采取以下措施進行處理：

(1)左右幅 6#承臺周邊與5#墩柱之間采用3排攪拌樁施工，形成帷幕，限制該段深層土體的側向移動。

(2)對6#承臺與橋下下穿公路之間緩坡反壓。

(3)臺背后路基填方采用輕質泡沫混凝土填筑，減小路基填土自重對承臺的側向土壓力。

(4)已出現(xiàn)的病害情況，6#承臺上部蓋梁結構部分重筑，承臺進行計算并加固補強。

(5)加大監(jiān)測周期，并結合現(xiàn)場施工處理情況針對性進行監(jiān)測。

3.5 橋臺變形處治后監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

布置在橋臺及墩柱各監(jiān)測點的縱向位移未見明顯發(fā)展，處治后變形已趨穩(wěn)定，如圖7所示。

圖7 右幅6#承臺縱向位移量-時間曲線圖

(1)水平位移監(jiān)測結果顯示：6#承臺上各位移監(jiān)測點本階段的位移發(fā)展程度較小，最大累計水平位移量為9.1mm；0#承臺監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示本階段位移未見明顯發(fā)展，最大累計水平位移量為4.8mm。處治后變形已趨穩(wěn)定(見圖8)。

圖8 右幅6#承臺水平向位移量-時間曲線圖

(2)各傾角監(jiān)測點數(shù)據(jù)顯示：本階段各傾角監(jiān)測點的傾角數(shù)據(jù)有存在波動情況，處治后變形已趨穩(wěn)定(見圖9)。

(3)深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：深層水平位移監(jiān)測孔 A1、A2、A3(布點位置：右幅 6# 承臺(臺背))本階段由于施工處理原因管口以下3m左右均有破壞，管口數(shù)據(jù)有波動，深部土體未見位移發(fā)展；本階段大部分位移監(jiān)測孔呈土體蠕動變形狀態(tài)，處治后變形已趨穩(wěn)定(見圖10)。

圖9 右幅6#承臺傾角-時間曲線圖

圖10 深層土體水平位移-深度-時間曲線綜上所述，處治后基本達到預期效果。

4 結論

(1)通過深孔測斜鉆孔地層分析，結合監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場變形情況，初步分析橋臺變形主要原因：6#臺靠近山體，從6#臺往5#墩方向軟土由薄變厚，軟土厚度從2.3m變厚至11.4m，即軟土存在下臥硬層斜面，在高填方荷載作用下，軟土發(fā)生蠕移，進而引起橋臺結構變形。。

(2)通過對綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，確定橋臺結構變形原因，制定有效的綜合治理方案，并以監(jiān)測及驗證處理效果，實踐證明是有效可行的，為類似工程提供參考。

(3)橋臺傾角監(jiān)測作為一種新監(jiān)測方案，還存在一定爭議，但因本橋臺搶險工程的特殊性，治理后運營良好，還需結合橋臺墩柱結構的變形及受力機理，對該監(jiān)測數(shù)據(jù)作進一步研究。