某橋墩偏位分析及處理措施探討

謝均勝

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司 廣州市 510507)

目前，我國中小跨徑簡支結(jié)構(gòu)橋梁主要以排架墩為主，排架墩結(jié)構(gòu)輕巧、造價經(jīng)濟、施工簡便，但其水平抗推剛度弱，易在外力作用下發(fā)生偏位，影響結(jié)構(gòu)的正常使用。

影響結(jié)構(gòu)的外力從性質(zhì)區(qū)分有地震力、土壓力、撞擊力等，其中以土壓力引起的偏位情況最為常見。土壓力產(chǎn)生的主要原因有施工階段施工工序選擇不當(dāng)，成橋后橋側(cè)溝槽開挖、橋下堆載等，以墩頂發(fā)生偏位的某橋梁工程實例為依托，探討橋墩偏位的分析及處理措施。

1 工程概況

某橋梁上跨涌河，橋跨組合為(2×16+22.5+25+22.5+1×20+1×16)m，上部結(jié)構(gòu)采用簡支預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土雙柱墩。按汽車—20、掛車—100荷載等級進行設(shè)計，其中右幅(舊橋)于1998年建成，左幅(新橋)于2001年建成。

管養(yǎng)部門進行日常巡查時發(fā)現(xiàn)右幅(舊橋)1#墩蓋梁與上部空心板之間發(fā)生相對約15cm的異常位移，如圖1所示。橋下通道局部出現(xiàn)開裂，橋外地面及橋臺護坡出現(xiàn)下沉等問題。

圖1 橋梁墩頂偏位現(xiàn)場照片

1#墩緊挨河堤，外設(shè)河堤擋墻，河床臨空面高約6m。橋墩右側(cè)約6m處為在建地鐵盾構(gòu)施工區(qū)間，地鐵區(qū)間與橋頭引道斜交，橋墩發(fā)現(xiàn)偏位前半個月盾構(gòu)施工經(jīng)過橋位處。第1跨橋底處約有2m高的建筑材料堆載。

2 墩頂偏位成因分析

發(fā)現(xiàn)橋墩偏位后，養(yǎng)護管理部門隨即封閉橋上交通，清理橋下的建筑材料堆載，委托應(yīng)急檢測單位對橋梁偏位進行細部測量及安全監(jiān)控。

經(jīng)檢測，1#墩偏位沿河道方向，右幅橋外側(cè)墩頂偏位166mm，內(nèi)側(cè)墩頂偏位69mm。左幅內(nèi)側(cè)墩頂偏位58mm，外側(cè)墩頂偏位77mm。

墩柱無明顯的裂縫，0#臺護坡整體下沉13cm，第1孔橋下路面出現(xiàn)2條橫向開裂，1條縱向裂縫，1處下沉。截止至7月3日，橋墩偏位已基本穩(wěn)定，最大偏位較原應(yīng)急檢測無大的變化。

根據(jù)實測水下地形，墩位處河床較原設(shè)計階段存在明顯的沖刷下切的情況，墩位處原地面與河床高差約6m，與河床最低位置處高差約11m。

結(jié)合橋墩偏位方向、軌道交通盾構(gòu)施工及橋下堆載的情況，經(jīng)專家研判，橋墩偏位是由于盾構(gòu)施工超方、地質(zhì)壓漿及橋下堆載等綜合作用下產(chǎn)生地基滑移引起的。

3 受力分析

為摸清1#墩在發(fā)生墩頂偏位情況下樁基及墩柱的受力狀況，采用有限元軟件Midas Civil建立1#墩的有限元模型，利用墩頂位移反推在恒載及橋下堆載作用下產(chǎn)生墩頂位移的主動土壓力作用深度，進而求出樁基及墩柱的實際受力狀態(tài)。

1#墩有限元模型如圖2所示，單元數(shù)為87個。按實際情況模擬墩柱和樁長，樁周在主動土壓力作用區(qū)域外采用“m”法以土彈簧模擬樁土約束作用，樁底進行豎向約束[1-2]。

圖2 1#墩計算模型

通過試算，舊橋1#墩外側(cè)樁基土壓力作用深度為11m，內(nèi)側(cè)樁基土壓力作用深度為5m的情況下，墩頂發(fā)生的位移與實際情況較為一致。新橋在內(nèi)側(cè)樁基擾動深度為6m，外側(cè)樁基發(fā)生7m擾動的情況下，墩頂位移與實測位移較為一致。計算結(jié)果如圖3到圖6所示。實測偏位與計算位移對比見表1所示。

圖6 新橋彎矩(單位：kN·m)

表1 實測偏位與計算位移對比

按上述假定計算的位移結(jié)果與實際發(fā)生的偏位情況較為一致，可認為墩柱實際所受外力與計算采用土壓力作用力效果基本一致，假定該土壓力即為墩柱發(fā)生位移受到的外力。

根據(jù)樁基配筋情況進行承載能力驗算，計算結(jié)果顯示，在上述變形條件下舊橋和新橋最不利樁基產(chǎn)生的內(nèi)力分別為5440kN·m(樁頭以下12m)和2779kN·m(樁頭以下8m)，均超出樁基按竣工圖配筋計算的彈性受力狀態(tài)，樁基已進入塑性[3]。

圖3 舊橋位移 (單位：mm)

圖4 舊橋彎矩 (單位：kN·m)

圖5 新橋位移 (單位：mm)

因新舊橋發(fā)生偏位后樁基內(nèi)力大于其極限承載能力，利用Ucfyber截面非線性分析軟件對樁控制截面進行纖維單元非線性分析，采用材料標(biāo)準(zhǔn)強度得到最大彎矩處塑性鉸截面的極限抗彎承載能力。最不利截面驗算如圖7到圖10所示(新舊橋樁基最大彎矩發(fā)生位置處樁基配筋不同，兩者分開計算)。

圖7 舊橋樁基纖維模型

圖8 舊橋樁基截面彎矩-曲率曲線

圖9 新橋樁基纖維模型

計算結(jié)果顯示，舊橋樁基發(fā)生最大彎矩處的等效屈服彎矩為1663kN·m，新橋樁基發(fā)生最大彎矩處的屈服彎矩為2112kN·m，均小于發(fā)生現(xiàn)狀位移的樁基內(nèi)力，說明新舊橋樁基已發(fā)生屈服破壞。

為摸清墩頂在發(fā)生多大位移的情況下樁基可以維持彈性受力狀態(tài)，假定同一墩柱下的兩根樁受到相同的土壓力作用，計算結(jié)果見表2所示。

表2 土壓力深度及墩頂位移

根據(jù)計算結(jié)果，當(dāng)土壓力作用深度為6m，墩頂位移為49mm的情況下，樁基即發(fā)生塑性破壞，這個計算結(jié)果也從側(cè)向證明墩柱樁基已發(fā)送了破壞，不能正常承荷。

4 維修加固方案

(1)橋梁維修加固

上述評估分析顯示新舊橋1#墩樁基已發(fā)生塑性破壞，無法再正常承荷，需對其進行加固。目前對深層受損樁基加固主要有旁側(cè)加樁與既有受損樁基共同承荷及對受損樁基拆除重建兩種處理方式。

本橋橋下凈空不足4m，且緊挨地鐵隧道區(qū)間，旁側(cè)加樁的處理方案施工條件受限，經(jīng)與各部門協(xié)商討論后最終確定采用拆除重建受損橋跨的處理方案。

該橋為區(qū)域重要過江出行通道，為緩解交通通行壓力，根據(jù)兩幅橋的損傷情況，擬分階段進行拆除重建。第一階段先對損傷較嚴(yán)重的右幅橋進行拆除重建，左幅橋臨時加固后保障單幅雙向應(yīng)急通行，待右幅橋重建完成后轉(zhuǎn)入第二階段對左幅橋進行拆除重建。

本橋拆除重建的難點在于上部結(jié)構(gòu)的拆除和右幅新建墩臺位置的選擇。右幅橋外側(cè)6m處為地鐵盾構(gòu)區(qū)間，隧道頂覆蓋層較淺，根據(jù)地鐵安評單位的驗算，采用汽車吊在隧道頂站位進行吊裝將影響隧道區(qū)間的安全。利用病害較輕的左幅橋進行吊運不但影響其通行效率，且有加重病害的風(fēng)險。在綜合各方面影響因素下，最終確定通過設(shè)立臨時支墩利用架橋機進行拆除的處理方案。

(2)路基維修加固

鑒于墩柱病害是因路基整體側(cè)向滑移引起的，為防止橋墩重建后再次因外力作用引起地基的滑移，設(shè)計中采用壓力注漿進行地基加固處理。注漿范圍與地鐵隧道的安全距離按不小于5m凈距控制，豎向距離按注漿底標(biāo)高與軌道結(jié)構(gòu)頂面不小于1m控制。沿深度方向上,鉆孔要求穿透軟土層進入硬土層中3m左右。充填注漿的水泥漿水灰比取0.45～0.55，劈裂注漿的水灰比取0.6～0.8，最大注漿壓力≤0.8MPa。

(3)施工流程

1#墩臨時支撐搭設(shè)→拆除右幅第1～2跨相關(guān)橋面系→解除空心板鉸縫連接→對稱吊裝移除第1～2孔空心板→拆除0#橋臺、1#橋墩及2#蓋梁凸起塊→橋下河堤加固處理、重建0#橋臺、1#橋墩、同時對2#墩蓋梁進行改造→新建第1～2孔的空心板架設(shè)→臺后回填、搭板、橋面系施工→開放交通轉(zhuǎn)入第二階段施工，按第一階段順序完成左幅橋的施工。

5 結(jié)論

墩柱偏位發(fā)生的原因是多方面的，既有施工階段原因也有運營維護階段的原因。對于施工階段要精心組織施工流程，溝槽開挖、軟基處理、墩側(cè)填土等應(yīng)在樁基施工前。運營維護階段則應(yīng)加強巡查，嚴(yán)禁橋下堆載、橋側(cè)開挖溝渠及堆載，復(fù)合地基處理要離橋墩不小于5m，對于擠土樁、高壓旋噴樁等處理方式還應(yīng)在橋墩前后埋設(shè)測斜管進行測斜觀察，一旦發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時停止作業(yè)并組織專家進行研究處理。