軟土地基橋臺(tái)失穩(wěn)處理方法探究

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

引言

橋臺(tái)是橋梁的重要結(jié)構(gòu)，它的作用是支承橋梁的上部結(jié)構(gòu)，并且把荷載傳遞給地基。它位于橋梁兩端，是支承橋梁上部結(jié)構(gòu)，連接路堤的橋梁結(jié)構(gòu)。橋臺(tái)的主要功能除了傳遞橋梁上部結(jié)構(gòu)的各種荷載到基礎(chǔ)外，還可以起到抵擋橋臺(tái)臺(tái)后填土荷載、連接橋頭線路和橋上線路、穩(wěn)定橋頭路基的作用。所以橋臺(tái)應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，使得橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并且避免由于垂直力和水平力協(xié)同作用而產(chǎn)生的滑移、沉降和偏轉(zhuǎn)。橋臺(tái)穩(wěn)定關(guān)系橋梁結(jié)構(gòu)的安全和耐久。在橋臺(tái)方面，我們要進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)、安全的施工、充分的養(yǎng)護(hù)，只有這三方面協(xié)調(diào)，才能保證結(jié)構(gòu)的安全，提高經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

從改革開放開始，全國(guó)特別是長(zhǎng)江流域地區(qū)開展了規(guī)模大、力度強(qiáng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，而這其中道路工程、橋梁工程的建設(shè)發(fā)展比較迅速。其中這些橋梁工程的使用年齡均在20年以內(nèi),但已經(jīng)有相當(dāng)多的橋梁發(fā)生老化破損現(xiàn)象,危橋數(shù)量逐年遞增。通過對(duì)部分危橋的調(diào)查和處理，我們發(fā)現(xiàn)建在深厚軟土基上的橋臺(tái)失穩(wěn)問題相當(dāng)突出普遍,為了防止類似于三水大橋南橋臺(tái)的失穩(wěn)事件再次發(fā)生，我們應(yīng)當(dāng)總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)。因此研究橋臺(tái)臺(tái)后軟土地基的處治方法有非常重要的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)意義。

一、橋臺(tái)地基失穩(wěn)帶來的病害

橋臺(tái)由于軟土地基的大幅度沉降或流動(dòng)引起的橋臺(tái)失穩(wěn)或上部結(jié)構(gòu)的病害形形色色，這些事故主要是：

(一)橋臺(tái)滑移

對(duì)于在軟土地基中的橋臺(tái)，由于橋梁與路堤沉降量上不同，樁基礎(chǔ)的橋臺(tái)沉降一般較小，而根據(jù)航道靜空規(guī)范上的要求，臺(tái)后高路堤的沉降應(yīng)當(dāng)較大，這個(gè)矛盾的出現(xiàn)引起了橋頭跳車，進(jìn)而影響了橋梁的使用，甚至?xí)档蜆蛄旱哪途眯?。雖然在設(shè)計(jì)中可以設(shè)置橋頭搭板來調(diào)整沉降差，但常常因?yàn)檎{(diào)坡距離較短，當(dāng)發(fā)生較大沉降時(shí)，依舊會(huì)造成二次跳車；有時(shí)也不設(shè)置搭板，而采用加鋪引道面層的方法來防止跳車，但大量實(shí)際結(jié)果表明，加鋪引道會(huì)引起行車不舒適，而引道養(yǎng)護(hù)又困難，效果并不如預(yù)期。如江蘇省淮安市的蘇北灌溉總渠特大橋就加鋪了引道面層[1]。但是據(jù)淮安工學(xué)院的孫文彬教授觀測(cè)后，加鋪后效果并不理想。由于軟土地基厚度不一，而且土層含水量分布不均勻，極易發(fā)生不均勻沉降，加之擋土墻后填土壓力的作用，可能會(huì)致使橋臺(tái)向河心滑動(dòng)，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致橋臺(tái)前傾。如淮安市郊繞城段某橋梁由于地基勘探不夠準(zhǔn)確，施工中技術(shù)欠缺，導(dǎo)致橋臺(tái)傾斜過大，使得上部預(yù)制結(jié)構(gòu)橋面翹凸。橋臺(tái)滑移主要特征為：伸縮裝置損壞，伸縮機(jī)能受損，接縫寬度縮??；支座形變超過最大形變范圍，甚至支座破壞；梁端與背墻緊貼，情況嚴(yán)重時(shí)，背墻破壞或梁端部分屈服，墻面剝落。

(二)橋臺(tái)傾斜、垂直裂縫

由于軟土層具有厚度不均勻和壓縮性不均勻以及橋臺(tái)基底應(yīng)力合力有偏心距的特性，導(dǎo)致橋臺(tái)很容易傾斜，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)約束較大但橋臺(tái)自身強(qiáng)度不足時(shí)，橋臺(tái)下部會(huì)出現(xiàn)裂縫。在205國(guó)道與305省道淮安段的公路改建工程中，孫文彬教授等人對(duì)全部路線上的橋梁檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，有近十余座橋梁的橋臺(tái)發(fā)生傾斜，還有部分橋橋臺(tái)下部出現(xiàn)裂縫。經(jīng)過分析，出現(xiàn)這種病害的主要原因?yàn)檐浲恋鼗临|(zhì)不均，加之水流沖刷橋臺(tái)，造成橫橋向出現(xiàn)過大的沉降差，使得橋臺(tái)出現(xiàn)傾斜或裂縫。

(三)橋梁伸縮縫破壞、接縫寬度不足

橋梁伸縮縫是用于滿足橋面形變的需要，設(shè)置在兩梁端之間、梁端與橋臺(tái)之間或橋梁的鉸接位置上的結(jié)構(gòu)物。規(guī)范要求伸縮縫在平行、垂直于橋梁中軸這兩個(gè)方向都能滿足自由伸縮的功能，車輛行駛過程中要做到平穩(wěn)、不產(chǎn)生噪音、不跳車；要能防止雜物阻塞；安裝、檢查、養(yǎng)護(hù)、除污都要相對(duì)方便。橋梁伸縮縫的作用巨大，但是施工難度極高，還有許多的技術(shù)難題有待進(jìn)一步解決。孫文彬教授等人在對(duì)淮安市正在使用中的橋梁伸縮縫調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，有超過半成的橋梁伸縮縫不能發(fā)揮正常的工作性能，其中大多數(shù)的伸縮縫已經(jīng)受到不同程度的破壞，伸縮能力也已經(jīng)喪失，嚴(yán)重威脅到橋梁的使用，有些已造成大量橋梁安全事故。經(jīng)過他們與設(shè)計(jì)單位、施工單位的合作調(diào)查，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的伸縮縫的破壞主要由于橋臺(tái)產(chǎn)生的病害，其中橋臺(tái)滑移直接導(dǎo)致其頂部擠向梁端，因而伸縮縫閉合失效甚至大梁局部彎曲開裂；橋臺(tái)傾斜會(huì)破壞橋梁伸縮縫，同時(shí)影響行車的平順從而造成伸縮縫附近的橋面結(jié)構(gòu)與路面結(jié)構(gòu)連鎖破壞。如淮安市區(qū)的黃河橋與鹽河橋的伸縮縫均已失效，205國(guó)道和305省道上也有類似問題。

二、橋臺(tái)地基失穩(wěn)隱患的處理方法

(一)加樁法

加樁法包括碎石樁、樹根樁、灌注樁等方法。所謂加樁法即在軟土地基周圍補(bǔ)加鉆孔樁或打入鋼筋混凝土預(yù)制樁，使得這類復(fù)合土體有較強(qiáng)的抗拉、抗壓、抗剪能力，從而提高基礎(chǔ)承載力。

(二)復(fù)合地基法

復(fù)合地基法包括水泥土攪拌樁復(fù)合地基、高壓噴射注漿樁復(fù)合地基、砂樁地基、振沖樁復(fù)合地基、土和灰土擠密樁復(fù)合地基、水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基及夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基等。復(fù)合地基通過在天然地基中加設(shè)加筋材料，使得基體和增強(qiáng)體共同承擔(dān)荷載作用。

以珠海市斗門縣某大橋?yàn)槔?，原設(shè)計(jì)為9跨16m的T梁，座板式橋臺(tái)，橋臺(tái)基礎(chǔ)為灌注樁。場(chǎng)地下有30m的淤泥，工程性質(zhì)較差。由于施工時(shí)沒有對(duì)臺(tái)后軟土基進(jìn)行處理，兩側(cè)橋臺(tái)不久便出現(xiàn)較大變形，危及橋梁安全[2]。經(jīng)多方比較，王亦賀等人采用了CFG樁復(fù)合地基來控制軟土地基變形的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)對(duì)上部結(jié)構(gòu)采用外包法和注漿法來進(jìn)行加固。因?yàn)镃FG樁是碎石樁發(fā)展而來的復(fù)合地基剛性樁。而碎石樁的材料都是散體粒狀材料，沒有粘結(jié)力，要通過周圍土體向其擠壓才能發(fā)揮樁體作用。但CFG樁因加入了水泥、粉煤灰，所以樁體有一定粘結(jié)力，故可在樁體各個(gè)方向受力。CFG樁與樁間土不僅可以使得樁與土共同承擔(dān)荷載，還可調(diào)整樁與土垂直和水平兩個(gè)方向上荷載的分擔(dān)作用。這種處理方法可以加快病害橋臺(tái)臺(tái)后軟土土基在病害發(fā)生時(shí)的固結(jié)速度，使軟土土基承載力上升。CFG樁復(fù)合地基處理臺(tái)后病害具有巨大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠湔{(diào)整靈活、變形小、施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低，是在軟土地區(qū)處理地基的常用方法。

(三)結(jié)構(gòu)加固法

包括注漿法、外包法(鋼板、鋼筋混凝土)等。通過加固結(jié)構(gòu)來防止橋臺(tái)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)一步發(fā)展，使之正常服役。

(四)分離橋臺(tái)法

包括錨拉板法、臺(tái)后加筋法等。由于橋臺(tái)與上部結(jié)之間有相對(duì)位移，臺(tái)后軟土就會(huì)產(chǎn)生變形。通過分離橋臺(tái)，不僅可以恢復(fù)橋臺(tái)伸縮縫的功能，還可以減少橋臺(tái)臺(tái)后的填土壓力。

例如中山市某大橋，此橋建成于1993年，上部為鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，全橋一聯(lián)，橋臺(tái)采用肋墻式埋置橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，臺(tái)后填土最高達(dá)5.90m。場(chǎng)地工程地質(zhì)情況大致為：淤泥質(zhì)土厚22m，下為殘積層及強(qiáng)風(fēng)化層，施工時(shí)未對(duì)臺(tái)后軟基進(jìn)行處理。建成不久后橋臺(tái)出現(xiàn)向臺(tái)背側(cè)傾斜和向橋側(cè)滑移的變形。至1998年，橋臺(tái)背墻與箱梁已相互擠壓，造成橋臺(tái)與箱梁底板不同程度的損壞，給橋梁使用留下了安全隱患。經(jīng)過研究，王亦賀等人決定采用(下接第119頁)分離橋臺(tái)法進(jìn)行處治。處理后至今未見變形進(jìn)一步發(fā)展。軟土地區(qū)橋臺(tái)臺(tái)后病害主要以橋臺(tái)的傾斜、滑動(dòng)為主，采用在橋臺(tái)臺(tái)背外側(cè)加樁的方法，增加了結(jié)構(gòu)整體的抗彎強(qiáng)度及抗變形能力，同時(shí)新樁基形成了橋臺(tái)臺(tái)前錨拉擋墻，控制了變形進(jìn)一步發(fā)展，防止繼續(xù)破壞上部結(jié)構(gòu)。這一方法對(duì)軟土層薄和已經(jīng)過長(zhǎng)期固結(jié)的橋臺(tái)基底病害處治來說十分經(jīng)濟(jì)可靠。

(五)減輕荷載法

減輕荷載法包括橋梁加跨法，改用輕型材料等方法。橋臺(tái)病害的處理常采用綜合處理法，上、下部結(jié)構(gòu)同時(shí)處理。當(dāng)今設(shè)計(jì)人員以減輕荷載法、平衡荷載法為主要設(shè)計(jì)方法，其內(nèi)容主要有增加橋長(zhǎng)，降低橋臺(tái)標(biāo)高，或者采用整板、筏板基礎(chǔ)等，通過加大底面來分散受力，使基底壓應(yīng)力小于地基容許承壓力。同時(shí)減輕臺(tái)背荷載，臺(tái)后用輕質(zhì)材料或設(shè)空箱減少臺(tái)后路基重量也是常用方法之一。在臺(tái)后填土前埋設(shè)樁，將大部分填土荷載轉(zhuǎn)移到前置樁基上，從而減少橋臺(tái)所受荷載，進(jìn)而減少橋臺(tái)位移。淤泥質(zhì)軟土層工程性質(zhì)十分差，加之橋頭填土較高，軟土下臥層難以承受如此高的土壓力,致使橋臺(tái)出現(xiàn)沉陷和水平位移，如果情況嚴(yán)重軟土下臥層會(huì)發(fā)生剪切滑動(dòng)，使橋臺(tái)和路堤一起坍塌，后果十分嚴(yán)重。所以臺(tái)后可增設(shè)小跨徑，適當(dāng)增長(zhǎng)橋長(zhǎng)，減輕地基荷載，削弱臺(tái)后土壓力，防止橋臺(tái)移動(dòng)和沉陷。另外，在軟基中不可輕易壓縮河道、減少橋長(zhǎng)，這些做法會(huì)提高橋臺(tái)滑動(dòng)變形的可能性。另外也可以根據(jù)試算數(shù)據(jù)來適當(dāng)?shù)卦黾訕蜷L(zhǎng)，增加抗滑系數(shù)，對(duì)于橋臺(tái)穩(wěn)定也有一定幫助。

三、結(jié)語

橋臺(tái)作為橋梁的重要構(gòu)造物，其結(jié)構(gòu)安全直接關(guān)系橋梁整體，因此必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，并避免造成過大的沉降、滑移和偏轉(zhuǎn)[3]。軟土地基上的橋臺(tái)由于地基承載力差、土體壓縮性大存在很多造成橋臺(tái)失穩(wěn)的隱患，而且這些隱患經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致或者間接誘發(fā)橋梁上部結(jié)構(gòu)事故。大量工程實(shí)踐表明，處理橋臺(tái)病害尚沒有完全徹底有效的方法。因此建橋前必須設(shè)計(jì)、施工、勘察三部門做好詳細(xì)溝通，進(jìn)行充分的地質(zhì)勘察，調(diào)查清楚橋位所處的地形地貌、地質(zhì)水文等自然情況，設(shè)計(jì)部門也應(yīng)該因地制宜，按照規(guī)范嚴(yán)格做好設(shè)計(jì)每個(gè)環(huán)節(jié)安全的把關(guān)，施工部門應(yīng)該謹(jǐn)慎安全地施工，結(jié)合當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)、建筑材料和經(jīng)濟(jì)條件，作充分論證，科學(xué)采取施工方案，確保橋臺(tái)堅(jiān)固穩(wěn)定，路橋銜接平順，完善橋梁功能，提高橋梁服務(wù)水平，避免橋臺(tái)地基失穩(wěn)事故的發(fā)生。