濕陷性黃土地區(qū)公路橋梁病害形式及產(chǎn)生機(jī)理分析

楊凱 張雅麗 王瑞達(dá)

摘要：甘肅地處黃土高原，因其大部分黃土具有濕陷性，加之公路建設(shè)速度加快、暴雨等極端天氣頻發(fā)，加劇了濕陷性黃土區(qū)域新舊橋梁病害的發(fā)生。目前對于病害形式及機(jī)理未作系統(tǒng)調(diào)查及分析，故選取濕陷性黃土覆蓋的隴西及隴東地區(qū)公路橋梁為調(diào)查對象。通過調(diào)查表面其主要病害為錐、護(hù)坡破損及下陷；墩臺(tái)基礎(chǔ)沖刷致使樁基外露、下沉；橋頭搭板破損。造成主要病害的原因?yàn)辄S土浸水濕陷、水流沖刷導(dǎo)致橋梁下部結(jié)構(gòu)病害的發(fā)生，進(jìn)而引起上部結(jié)構(gòu)及橋面系病害的出現(xiàn)。

Abstract： Gansu province is located in the loess plateau， because most of the loess is collapsible， along with the speeding up highway construction and frequent rainstorm and other extreme weather， the occurrence of new and old bridge diseases in collapsible loess area is aggravated. At present， the form and mechanism of disease are not systematically investigated and analyzed. So， the collapsible loess covered highway bridge in Longxi and Longdong region is selected as the object of investigation. The investigation shows that the main diseases are cone slope and slope damage； pier foundation scour dew pile and slab breakage. The main causes of the disease are loess soaking， collapsibility and water erosion， which lead to the occurrence of structural diseases in the lower part of the bridge. Such reasons furtherly lead to the occurrence of superstructure and deck system diseases.

關(guān)鍵詞：濕陷性黃土；公路橋梁；病害；成因分析

Key words： collapsible loess；highway bridge；disease；genetic analysis

中圖分類號：U445.7+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2019）03-0083-04

0 引言

甘肅坐落于黃土高原，絕大部分黃土均具有濕陷性、易沖刷及各向異性等工程特點(diǎn)。大多數(shù)橋梁因復(fù)雜地貌導(dǎo)致其須跨河流、山谷修建，橋梁下部結(jié)構(gòu)多修建在邊坡或河道之中[1]。近幾年，由于甘肅省境內(nèi)公路修建速度變快，又因暴雨等惡劣天氣頻繁出現(xiàn)，修建在黃土濕陷性區(qū)域內(nèi)新舊橋梁出現(xiàn)例如錐、護(hù)坡破損及下陷、基礎(chǔ)沉降等病害。投入橋梁養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用因而逐年加大，而病害的進(jìn)一步惡化會(huì)危及橋梁的使用壽命。

目前對于黃土濕陷性區(qū)域橋梁病害產(chǎn)生形式及機(jī)理未作系統(tǒng)調(diào)查和分析。本文依托科研項(xiàng)目《甘肅省濕陷性黃土地區(qū)公路修筑成套技術(shù)研究》中子課題八《濕陷性黃土地區(qū)高速路綜合養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究—濕陷性黃土地區(qū)橋梁養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)研究》，選取甘肅省境內(nèi)濕陷性黃土覆蓋面積較多的隴東及隴西地區(qū)平?jīng)?、慶陽及定西市在役公路橋梁作為調(diào)查對象，進(jìn)行橋梁病害調(diào)查且對機(jī)理作出分析，從而提出合理的預(yù)防措施。

1 濕陷性黃土地區(qū)在役公路橋梁病害調(diào)查

1.1 調(diào)查橋梁資料

選取甘肅定西地區(qū)G22、G312、G75、G30、G310、X327線路及定隴公路橋梁；平?jīng)龅貐^(qū)G22高速公路橋梁；慶陽地區(qū)G22、G211、S202線路橋梁作為甘肅濕陷性黃土役公路橋梁為調(diào)查對象。此次調(diào)查橋型主要為梁式橋，依次對橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)及橋面系病害類型進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)[1]。

1.2 橋梁調(diào)查病害總結(jié)

在對選定區(qū)域內(nèi)橋梁進(jìn)行實(shí)地病害調(diào)查統(tǒng)計(jì)后，分別匯總?cè)齻€(gè)區(qū)域內(nèi)病害類型。定西地區(qū)橋梁調(diào)查結(jié)果為：K1744+350梨川小橋：梁體位移致使擋塊破碎、、橋臺(tái)沉降、護(hù)坡塌陷。K64+475將臺(tái)河橋：錐坡破損。西平大橋：橋臺(tái)護(hù)坡漿砌片石脫落，坡內(nèi)填土沖刷成溝；錐坡破損下陷；溝底沖刷。K1760+100山頭中橋：排水溝下填土空洞、破損，橋臺(tái)前填土沖溝。K1983+720西鞏驛大橋：錐坡下陷、橋頭路面下沉。K43+576小橋：梁體位移、橋臺(tái)臺(tái)身裂縫。K56+543：橋臺(tái)臺(tái)身裂縫、梁體橫橋向位移。

K64+389小橋：橋臺(tái)豎向裂縫。K1576+170跨線橋：擋塊破碎；橋臺(tái)沉降。K1578+502井家口橋橋墩樁基外露。K1759+700莊子上川大橋：擋塊破碎。無名小橋：橋面下陷及鋪裝橫向裂縫，護(hù)坡坍塌、橋臺(tái)下沉。隴西東浦渭河大橋：2#、3#、4#橋墩樁基外露。隴西西河橋：河床鋪砌破損。

平?jīng)龅貐^(qū)橋梁調(diào)查結(jié)果為：K1576+728沙柳溝高架橋下行線：橋臺(tái)開裂。K1566+572鴨兒溝大橋：護(hù)坡破損、橋頭路面下沉。K1557+281大岔河橋：橋頭路面下陷破損。K1488+263涇川一號橋：護(hù)坡破裂。K1740+500雞兒嘴大橋：橋臺(tái)地基下沉。K1560+613水橋溝大橋：護(hù)坡破損。K1559+459楊渠溝大橋：流水槽破損。

慶陽地區(qū)橋梁調(diào)查結(jié)果為：K1387+950橋：橋臺(tái)沉降；橋面下沉。K1391+100橋：橋臺(tái)沉降、橋面裂縫。K252+076二十里溝橋：護(hù)坡漿砌片石破壞。K260+526城西溝橋錐坡坍塌、排水槽下部脫空。K62+003吳家玲橋護(hù)坡破壞。K64+640銅川溝橋橋面縱向開裂。K207+851馮叉溝3號橋：錐坡下部懸空，漿砌片石剝落。

1.3 橋梁調(diào)查病害匯總分析

在選定區(qū)域內(nèi)實(shí)地調(diào)查在役橋梁60座，其上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)及橋面系都具有不同程度病害，現(xiàn)將病害類型及所占比重匯總于表1。

分析表1表明平?jīng)?、慶陽及定西地區(qū)橋梁上部結(jié)構(gòu)病害主要表現(xiàn)為梁體橫向位移；下部結(jié)構(gòu)主要病害表現(xiàn)為橋臺(tái)沉降及裂縫，錐、護(hù)坡坍塌及開裂，墩臺(tái)基礎(chǔ)沖刷外露，調(diào)治構(gòu)造物下部掏空，河床鋪砌損壞。橋面系病害形式主要為橋面鋪裝開裂、橋面下沉，橋頭搭板破損、橋頭位置路面沉降。分析病害位置占調(diào)查橋梁比重表明：下部結(jié)構(gòu)錐、護(hù)坡破損及下陷所占比例為23.3%，是主要病害類型；病害其次為占比10%及16.7%的橋面與橋臺(tái)。

2 橋梁主要病害成因分析

2.1 下部結(jié)構(gòu)主要病害成因分析

2.1.1 基礎(chǔ)病害成因分析

①剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)主要病害及成因。

1）基礎(chǔ)沉降。暴雨天氣，雨水不能沿排水槽或橋面排水設(shè)施及時(shí)排出時(shí)，雨水會(huì)蔓延至地基之中，又因即使經(jīng)過處理的黃土地基也無法徹底將其濕陷性消除，地基因黃土濕陷而沉降，剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)會(huì)隨著地基的沉降而發(fā)生沉降。基底土體因上部結(jié)構(gòu)傳遞的荷載而被壓縮、排水固結(jié)，基礎(chǔ)進(jìn)一步出現(xiàn)沉降。基底面各點(diǎn)處沉降不一致時(shí)將導(dǎo)致其不均勻沉降。雨水浸入地基過程中上部荷載與黃土濕陷對擴(kuò)大基礎(chǔ)沉降產(chǎn)生耦合作用。

2）基礎(chǔ)滑移和傾斜。修建于濕陷性黃土區(qū)域的橋臺(tái)因其前墻填土受流水沖刷流失而導(dǎo)致抗滑移能力降低，基礎(chǔ)將因無法抵抗臺(tái)后填土的土壓力而出現(xiàn)滑移和傾斜[2]。

3）基礎(chǔ)沖刷。在雨水、河流流經(jīng)時(shí)，覆于基礎(chǔ)周邊的土體會(huì)受到水流沖蝕，而長期沖蝕致使基底逐漸淘蝕，使其受力面積縮小，進(jìn)而引起橋梁病害的出現(xiàn)。

②樁基礎(chǔ)主要病害及成因。

為更大程度消除黃土濕陷對地基的影響，取代淺基礎(chǔ)的樁基礎(chǔ)逐步運(yùn)用于地基處理中。擁有與淺基礎(chǔ)相似類型的樁基礎(chǔ)，因其四周結(jié)構(gòu)與土體的差異，產(chǎn)生特有的病害類型。

1）樁基外露。修建在沖溝中的樁基礎(chǔ)在雨水沖刷下會(huì)使得樁周土體流失引起露樁；修建在河道中的樁基礎(chǔ)也會(huì)因流水長期沖刷使得樁基外露?，F(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)雖然部分橋梁橋墩采取樁基防護(hù)措施，但樁基防護(hù)會(huì)因過大的降雨而沖毀，使得樁基外露。樁基有效樁長會(huì)因此變短，超出容許限值后將導(dǎo)致承載能力減小，進(jìn)而對橋梁安全運(yùn)營造成危害[2]。

2）樁基撓曲。黃土濕陷使得土層出現(xiàn)塑性流動(dòng)時(shí)，置于土層中的樁基會(huì)受到土體流動(dòng)時(shí)的水平側(cè)向力。當(dāng)水平力超出限值時(shí)，會(huì)使樁基出現(xiàn)撓曲，并且在其余力的共同作用下可能導(dǎo)致斷樁。

3）樁基失穩(wěn)。黃土濕陷加之樁基外露長度超出一定限值，造成樁基橫向抗力的不足，上部荷載作用下造成樁基失穩(wěn)。

4）鋼筋銹蝕、混凝土剝落。樁基因黃土流失出現(xiàn)外露，在外界環(huán)境作用下，樁周混凝土松散掉落；或因樁身受力過大導(dǎo)致開裂。失去保護(hù)層的鋼筋與外界環(huán)境發(fā)生氧化反應(yīng)而銹蝕、膨脹。膨脹的鋼筋又會(huì)加劇樁身混凝土的剝落，形成一惡性循環(huán)。如若對此不及時(shí)處理，會(huì)減小樁基承載能力，從而影響橋梁的安全運(yùn)營[3]。

5）樁基不均勻沉降。樁基會(huì)因黃土濕陷固結(jié)過程中產(chǎn)生的負(fù)摩阻力而下沉，同一承臺(tái)下不同樁基產(chǎn)生的沉降量并不一致。樁基的不同步沉降會(huì)使承臺(tái)及墩身傾斜，甚至斷裂。

2.1.2 橋墩主要病害及成因

基礎(chǔ)的沉降致使與基礎(chǔ)相連的重力式橋墩出現(xiàn)下沉變?yōu)榧岸丈硭?、豎向及網(wǎng)狀裂縫。豎向裂縫會(huì)沿底部從上而下的發(fā)展，表征為下寬上窄的形式。

柱式橋墩會(huì)因基礎(chǔ)不均勻沉降使得蓋梁及墩身開裂。

2.1.3 橋臺(tái)主要病害及成因

調(diào)查發(fā)現(xiàn)臺(tái)身位移與開裂是橋臺(tái)的主要病害形式。黃土濕陷引起的基礎(chǔ)不均勻沉降與上部荷載共同作用下會(huì)使橋臺(tái)出現(xiàn)豎向裂縫，并導(dǎo)致橋臺(tái)前墻與側(cè)墻交接處開裂。而橋臺(tái)位移表現(xiàn)為基礎(chǔ)沉降與水流沖刷引起的橋臺(tái)傾斜與沉降。

2.1.4 錐坡、護(hù)坡主要病害及成因

①錐坡。

錐坡病害表現(xiàn)為兩種形式：其一為下部土體被掏蝕后僅剩上部漿砌片石；其二為錐坡向外坍塌。其病因主要為：1）沿錐坡?lián)p壞處進(jìn)入的流水沖蝕錐心土體，使得錐坡內(nèi)部被掏空，出現(xiàn)錐坡下部脫空病害[5]；2）錐坡內(nèi)土體因流水濕陷，因土壓力的影響而出現(xiàn)毀壞。

②護(hù)坡。

護(hù)坡病害主要體現(xiàn)在護(hù)坡沉降，填筑護(hù)坡的黃土因雨水沖刷與浸入，隨時(shí)間產(chǎn)生塌陷、破損。

2.1.5 河床主要病害及成因

河床在濕陷性黃土區(qū)域病害主要表現(xiàn)為河床鋪砌損壞。水流的沖刷與掏蝕會(huì)導(dǎo)致河床鋪砌下土體的減少，從而使得河床鋪砌層脫空。隨脫空范圍的擴(kuò)大，在無法承受水流及自身自重力時(shí)，河床鋪砌會(huì)出現(xiàn)破壞。

2.1.6 調(diào)治構(gòu)造物主要病害及成因

調(diào)治構(gòu)造物主要病害為下部脫空。水流沖蝕排水溝或排水槽下部土體，隨土體沖蝕范圍的增加，流水槽下部出現(xiàn)脫空，在外力與自重的作用下，導(dǎo)致流水槽出現(xiàn)裂縫甚至坍塌、斷裂。

分析得出橋梁下部結(jié)構(gòu)在濕陷性黃土區(qū)域中病害及其成因可歸結(jié)為圖1所示。

2.2 上部結(jié)構(gòu)主要病害分析

濕陷性黃土區(qū)域橋梁上部結(jié)構(gòu)病害表現(xiàn)為主梁裂縫與下沉、主梁橫向位移、橫隔板斷裂。這些病害的產(chǎn)生通常是由于基礎(chǔ)沉降、傾斜引起主梁隨之產(chǎn)生相應(yīng)的位移或變形。傾斜量過大時(shí)使得主梁沿橫橋向傾斜一側(cè)產(chǎn)生位移，進(jìn)而碰撞擋塊，造成擋塊開裂；沿縱橋向的位移導(dǎo)致伸縮縫出現(xiàn)破壞；豎向位移會(huì)導(dǎo)致橋面主梁下?lián)?。三個(gè)方向的位移都使得主梁出現(xiàn)不同程度的損傷。分析得出橋梁上部結(jié)構(gòu)在濕陷性黃土區(qū)域中病害及其成因可將其歸結(jié)為圖2所示。

■

2.3 橋面系主要病害分析

2.3.1 橋面系

①橋面下沉。

這類病害主要出現(xiàn)在簡支梁橋，橋臺(tái)基礎(chǔ)沉降使得上部梁體隨之同步沉降，沉降量過大時(shí)會(huì)使橋臺(tái)與路面相接處形成錯(cuò)臺(tái)，過大的錯(cuò)臺(tái)會(huì)影響行車的舒適度。

②橋面上撓。

兩跨以上簡支梁橋，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的橋臺(tái)出現(xiàn)沉降，樁基的橋墩不產(chǎn)生沉降，會(huì)使橋梁兩端下沉，而橋墩位置處向上位移，表征致橋面為橋墩處橋面上撓。

③橋面鋪裝裂縫。

基礎(chǔ)沉降使得單跨簡支梁橋一側(cè)或兩側(cè)橋臺(tái)沉降，與梁連接處橋面會(huì)因此出現(xiàn)橫向裂縫。而對于兩跨及以上簡支梁橋，橋墩不沉降，橋臺(tái)沉降時(shí)，會(huì)使橋墩上部橋面出現(xiàn)橫向裂縫。當(dāng)兩側(cè)橋臺(tái)橫橋向傾斜方向不一致時(shí)，梁體受扭使得橋面縱向位移的出現(xiàn)。

2.3.2 橋頭路面

橋頭路面碧昂還通常為路面下陷及破損。路堤下天然土體中黃土浸水濕陷或其填土受水流沖刷導(dǎo)致路堤的不均勻沉降，沉降梁過大的地方橋面出現(xiàn)不同程度的下陷及破損。

2.3.3 橋頭跳車

位于濕陷性黃土區(qū)域橋梁，橋頭跳車現(xiàn)象的出現(xiàn)通常為不均勻沉降引發(fā)。一方面，路基與過渡段或臺(tái)背結(jié)合處出現(xiàn)局部沉降，引起橋頭搭板兩側(cè)線路形成突變的縱向坡腳，導(dǎo)致搭板梁端路面的不平順性，如圖3所示。坡腳對于高速行駛的車輛，不僅會(huì)加劇跳車現(xiàn)象，而且會(huì)引發(fā)行車事故的出現(xiàn)。

另一方面，錐、護(hù)坡土體的掏蝕會(huì)使搭板下部擔(dān)空。車輛荷載不變的情況下，改變受力體系的橋頭搭板會(huì)因懸空位置應(yīng)力變大而產(chǎn)生裂縫。過大的擔(dān)空面積，使得搭板受力超出容許限值后斷裂。搭板的斷裂同樣會(huì)造成橋頭跳車和行車事故的出現(xiàn)。

分析得出橋梁上部結(jié)構(gòu)在濕陷性黃土區(qū)域中病害及其成因可將其歸結(jié)為圖4所示。

4 結(jié)語

①甘肅具有黃土濕陷特征區(qū)域公路橋梁主要病害形式為橋梁上部結(jié)構(gòu)梁體位移；下部結(jié)構(gòu)錐、護(hù)坡坍塌，橋臺(tái)沉降與裂縫，基礎(chǔ)沖刷露樁，調(diào)治構(gòu)造物懸空，河床鋪砌破損。橋面系病害為橋面下沉及裂縫，搭板破損、橋頭路面下沉。

②黃土浸水濕陷及水流沖刷是造成下部結(jié)構(gòu)的主要病因，上部結(jié)構(gòu)病害的出現(xiàn)是由于荷載與下部結(jié)構(gòu)病害相互作用而引起。

參考文獻(xiàn)：

[1]JTGT H21-2011，公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民交通出版社，2011.

[2]趙寶俊，葛守飛，郝憲武.黃土地區(qū)溝谷地形橋梁下部結(jié)構(gòu)病害與防護(hù)對策研究[J].公路交通科技，2013，11.

[3]黃秀粉.黃土溝谷地區(qū)梁橋樁基病害調(diào)查及成因分析和加固技術(shù)研究[D].長安大學(xué)，2014.

[4]何曉陽，項(xiàng)貽強(qiáng)，邢馳.混凝土橋梁下部結(jié)構(gòu)病害分析與加固[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，9.

[5]李海瑞.橋梁錐坡水毀的影響因素與防治措施[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，1999.

[6]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[7]樊錦仁，張慶軍.濕陷性黃土地區(qū)給水排水管道相關(guān)問題及設(shè)計(jì)建議[J].特種結(jié)構(gòu)，2015，10.

[8]姜濤.濕陷性黃土地區(qū)公路防排水技術(shù)研究[D].長安大學(xué)，2006.

[9]劉愛娟，李整建，劉太平.基坑止水帷幕優(yōu)化設(shè)計(jì)探討[J].工程勘察，2011，12.

[10]黃陽，鄧劍濤.橋梁增補(bǔ)樁預(yù)壓技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].公路交通科技，2013，32（5）：237-240.