甘肅省濕陷性黃土地區(qū)橋涵設(shè)計與思考

張榮榮，張精兵

1.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056

2.荊州市公路學(xué)會，湖北 荊州 434000

甘肅省地處黃土高原的西部，黃土分布面積約12萬km2，占全國黃土分布面積的1/5，區(qū)域內(nèi)黃土分布具有面積廣、厚度大、地貌類型多樣、濕陷性強烈的特點。由于對甘肅省黃土地區(qū)的地質(zhì)條件特性認(rèn)識不足，建設(shè)于濕陷性黃土路段的橋涵經(jīng)常會出現(xiàn)墩臺基礎(chǔ)沉降、橋頭跳車甚至橋墩傾覆等病害，從而嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和正常使用性能，因此必須根據(jù)各類病害產(chǎn)生的原因提出針對性的處理措施。

1 濕陷性黃土地區(qū)橋涵常見病害及成因

通過對甘肅省近年來多條高速公路施工及養(yǎng)護管理中發(fā)現(xiàn)的問題進行歸納，濕陷性黃土地區(qū)橋梁的病害主要有以下五類：

（1）墩臺基礎(chǔ)。黃土沖溝路段由于水流的沖刷作用，基礎(chǔ)頂面的填土易掏空、沉陷或垮塌，造成承臺、樁基外露，樁身自由長度增大，下部結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性及樁基承載力降低；特別是位于陡坡上的基礎(chǔ)，若樁長設(shè)計過程中未考慮充足的安全襟邊，則可能會出現(xiàn)墩臺岸坡失穩(wěn)、橋梁垮塌的風(fēng)險。

（2）上部結(jié)構(gòu)。該部位的病害主要集中在現(xiàn)澆箱梁上，現(xiàn)澆箱梁在施工過程中往往需要搭設(shè)滿堂支架，雖然箱梁澆筑之前會對支架進行預(yù)壓，但支架預(yù)壓后土層易受到雨水等外部因素的影響導(dǎo)致不均勻沉降，箱梁在附加應(yīng)力作用下出現(xiàn)裂縫等病害，在黃土厚度以及濕陷性等級較大路段甚至?xí)霈F(xiàn)支架垮塌。

（3）錐坡防護損壞。該病害的原因主要為黃土受水流沖刷導(dǎo)致錐坡基礎(chǔ)外露，以及錐坡基底黃土濕陷性處理不當(dāng)導(dǎo)致錐坡發(fā)生沉降。

（4）橋頭跳車。由于橋臺一般采用樁基礎(chǔ)，橋臺臺背是剛性和柔性的過渡段，構(gòu)造物與路基會出現(xiàn)較大的沉降差從而導(dǎo)致橋頭跳車，該病害幾乎是不可避免的，在黃土地區(qū)該病害尤其突出。主要原因表現(xiàn)如下：①橋頭路基及錐坡地基處理不足時，黃土地基的相對承載力更低、壓縮變形更大；②路面滲水、臺后排水不暢，造成路面水滲入臺后路基，路基土含水量增大，地基承載力降低、黃土濕陷性沉降。橋頭跳車通常伴隨伸縮縫、護欄損壞等病害。

（5）涵底沉降。黃土地基在干燥情況下承載力較大，但施工期若為雨季或農(nóng)田灌溉季節(jié)，開挖基坑時易滲水，基底黃土層遇水濕陷，承載力降低，不滿足承載力設(shè)計要求，最終導(dǎo)致涵洞發(fā)生沉降。

2 濕陷性黃土地區(qū)橋涵設(shè)計要點

針對建設(shè)于黃土地區(qū)的橋涵，為減少上述常見病害的發(fā)生，在設(shè)計階段可從以下五個方面對設(shè)計方案進行優(yōu)化。

（1）加強橋址區(qū)地質(zhì)勘察調(diào)查工作。在前期外業(yè)勘察階段，應(yīng)根據(jù)《甘肅省黃土地區(qū)高速公路路基設(shè)計指南》確定項目所在地工程地質(zhì)分區(qū)，了解區(qū)域地形地貌、黃土分布厚度、物理力學(xué)性質(zhì)、濕陷特性、路基濕陷病害以及氣候特征。結(jié)合區(qū)域黃土力學(xué)特性，合理布設(shè)橋梁鉆孔，建議在橋臺位置及沖溝底部應(yīng)設(shè)置鉆孔，通過室內(nèi)試驗計算出黃土的濕陷厚度、濕陷系數(shù)、負(fù)摩阻力等指標(biāo)。加強對橋址區(qū)不良地質(zhì)現(xiàn)象如黃土陷穴、崩塌、滑坡等的調(diào)查，分析該地質(zhì)現(xiàn)象出現(xiàn)的原因及對橋涵布設(shè)可能存在的影響，初步擬定相應(yīng)的處理措施。

（2）合理布置橋跨。橋梁跨越?jīng)_溝時原則上應(yīng)盡量調(diào)整跨徑避免在溝底或覆蓋層較厚的陡坎上設(shè)墩，防止溝底沖刷或岸坡垮塌對下部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來影響。例如，受跨徑橋長這一因素的制約需要在陡坎上設(shè)墩，加強墩位處的防護設(shè)計，明確刷坡高度臺階，對邊坡增設(shè)防排水、綠化措施，樁基設(shè)計時考慮一定范圍的安全襟邊，適當(dāng)增加樁長。挖方路段橋梁布跨應(yīng)盡量減少對山體的開挖，正常路段橋梁應(yīng)深入挖方路段，橋臺采用柱式臺。當(dāng)橋梁與隧道相接且洞口地質(zhì)條件較差時，橋梁的布設(shè)應(yīng)盡量緊貼山體，減少對山體的開挖，橋臺考慮重力式+樁基礎(chǔ)形式，同時應(yīng)加強與隧道專業(yè)的對接。陡坡段墩臺防護措施如圖1所示。

圖1 陡坡段墩臺防護措施（單位：m）

（3）選擇合適的結(jié)構(gòu)形式。濕陷性黃土地段變寬或曲線橋梁結(jié)構(gòu)形式不應(yīng)只采用現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)分析橋址處的水文、地形、地質(zhì)及填方高度情況，并考慮工程的可實施性綜合進行選用。對于填方較高的橋梁，若采用現(xiàn)澆，則支架的基礎(chǔ)需要打樁施作，基礎(chǔ)的施工周期以及預(yù)壓周期較長，且高空作業(yè)風(fēng)險較大，同時縱斷面線高低參差不齊，施工支架需平整開挖，施工對環(huán)境破壞較大，開挖較多。對于此類情況建議采用預(yù)制吊裝結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整橋梁整體寬度或濕接縫寬度達(dá)到線型調(diào)整的目的。黃土地區(qū)橋梁應(yīng)減少橋臺處填土高度，減小臺后土壓力對樁基的水平推力，橋臺結(jié)構(gòu)以肋板臺、板凳臺或柱式臺為主，墩臺基礎(chǔ)置于濕陷性較小的土層內(nèi)，樁長計算應(yīng)考慮黃土的負(fù)摩阻力作用。對于涵洞，由于黃土地區(qū)地基承載力較小，結(jié)構(gòu)宜采用鋼波紋管涵、鋼筋混凝土箱涵或鋼筋混凝土蓋板涵，不宜采用拱涵。為減小基底應(yīng)力并防止?jié)B水，蓋板涵一般采用整體式基礎(chǔ)。

（4）加強對濕陷性黃土地基的處理。結(jié)合病害調(diào)查可知，黃土地區(qū)橋涵典型病害多是因為黃土遇水沉陷引起，若從源頭上通過一定的措施消除黃土的濕陷性則能有效地降低上述病害的發(fā)生。橋梁設(shè)計過程中應(yīng)按路基處理措施對橋臺錐坡底原地面進行處理，常用的措施有換填墊層、沖擊碾壓、重錘夯實、強夯、灰土擠密樁等措施，應(yīng)根據(jù)黃土的濕陷性等級、處理深度、地下水位、填土高度合理地選用處理措施。根據(jù)工程經(jīng)驗，針對濕陷性等級I～III級、處理深度8m以下的黃土地基，推薦在對原地面進行沖擊碾壓或強夯處理后施作灰土墊層，墊層兩側(cè)設(shè)置灰土隔水墻，橋涵臺背施工按1∶2挖臺階處理，臺背和錐坡采用石灰土、水泥土等改良細(xì)粒土或沙礫等粗粒料進行填筑，每1.2m用液壓夯補強一次。濕陷性等級較高路段的橋涵臺背可考慮設(shè)置灰土擠密樁、CFG樁等措施加強基底處理。對經(jīng)常流水、浸濕可能性大或濕陷等級較高路段的涵洞可考慮設(shè)置鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)。橋梁臺背處理示意圖如圖2所示。

圖2 橋梁臺背處理示意圖（單位：m）

（5）增強防排水措施處理。黃土濕陷的另一個主要因素是地表水的侵入，為防止地表水下滲，設(shè)計時應(yīng)考慮對路線周邊影響施工及運營的坑洞、陷穴進行回填、整平處理，保證水流通暢，并做好周邊的截排水設(shè)施。對于橋梁結(jié)構(gòu)，可通過對橋頭一定范圍內(nèi)的路基邊坡及橋梁錐坡設(shè)置混凝土護坡防止雨水下滲，路基邊溝水可通過設(shè)置排水溝、急流槽引至橋梁范圍以外；承臺開挖的基坑可采用石灰土回填；橋面徑流應(yīng)采用塑料排水管收集并排至地面排水設(shè)施，防止雨水濺落至溝岸時形成新的陷穴。對于箱涵、圓管涵等節(jié)段施工的結(jié)構(gòu)，應(yīng)加強沉降縫的防滲及耐久性設(shè)計，兩側(cè)洞口應(yīng)進行混凝土鋪砌，洞口處地基應(yīng)按路基方案進行處理，防止涵洞基底被掏空，涵洞口兩側(cè)路堤迎水面邊坡應(yīng)設(shè)置浸水護坡，坡面防護高位應(yīng)為設(shè)計水位+50cm且不低于涵洞頂面高程。

3 結(jié)束語

對于建設(shè)于濕陷性黃土地區(qū)的橋涵結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)通過地勘及外業(yè)調(diào)查，了解區(qū)域內(nèi)濕陷性黃土對結(jié)構(gòu)物可能帶來的不利影響，然后通過橋跨布置、結(jié)構(gòu)形式選擇、地基加固處理、防排水處理等措施，同時結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗并考慮方案的經(jīng)濟性，經(jīng)充分研究后決定最終的設(shè)計方案，以確保橋涵結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。