淺基礎橋梁安全性評價及加固分析

郭瑞雪

摘要 隨著我國基建事業(yè)的迅速發(fā)展，橋梁建設技術(shù)得到了較大提升。我國橋梁建設中，混凝土橋梁應用最廣泛。但隨著橋梁使用年限的增長，結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)不同程度病害，影響橋梁的通行能力甚至導致橋梁的安全性不足。針對該現(xiàn)象文章對橋梁加固進行了研究，主要內(nèi)容有：淺基礎橋梁安全性評價、淺基礎橋梁加固方法、通過實際工程對淺基礎橋梁加固效果進行分析。通過以上內(nèi)容研究，為橋梁加固提供可靠的依據(jù)和理論分析方法。

關(guān)鍵詞 淺埋基礎;基礎加固;沖刷;加固措施

中圖分類號 U446;U445.72 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）02-0102-03

0 引言

我國對橋梁加固的分析研究起步較晚，研究初期，通過大量的試驗和工程實踐，積累了一些經(jīng)驗，使橋梁加固事業(yè)在我國開始取得成就。黃建鋒[1]通過破壞試驗證明：通過增大截面加固橋梁，能夠提高結(jié)構(gòu)自身的承載能力。王元棟[2]通過改進增大截面法來研究橋梁的受力狀態(tài)，結(jié)果表明該方法可提高斜截面的抗剪強度。王文煒[3]通過分析表明：行車荷載下，通過碳纖維布對橋梁進行加固，可有效提高橋梁的抗彎承載能力。張延年[4]通過試驗分析表明：粘貼碳纖維布可以提高橋梁的抗彎能力，以及屈服后梁的剛度。通過以上學者研究，橋梁加固項目取得了一定的成績，但該課題的研究還有一定空間。

淺埋基礎橋梁結(jié)構(gòu)較為簡單，最容易受基礎沖刷產(chǎn)生結(jié)構(gòu)病害，淺埋基礎在多因素影響下，造成承載力和耐久性下降，該文主要以層次結(jié)構(gòu)法分析淺埋基礎病害。

1 淺基礎橋梁安全性評價

橋梁安全性的評價主要包括橋梁承載能力、橋梁耐久性和橋梁適用性的評定，且各個性能相互關(guān)聯(lián)。

對橋梁承載能力評定主要是通過對橋梁的剛度、強度進行評價，保證橋梁滿足交通荷載的需求以及未來交通量的需求。對橋梁的承載能力進行評定時，需將橋梁的結(jié)構(gòu)體系作為研究對象，通過有限元模型分析，得到實際承載能力。

1.1 外觀檢查

橋梁運營時，主要受荷載及環(huán)境變化的影響，結(jié)構(gòu)性能和承載力不斷發(fā)生變化。因此應對橋梁的外觀進行檢查，主要內(nèi)容包括：對橋梁各部件缺損程度進行評價，對損害嚴重構(gòu)件進行評分，對橋梁進行等級評定。

1.2 計算指標

橋梁進行安全性評價時，不僅應對橋梁外觀進行評價，還應對結(jié)構(gòu)進行計算。主要計算指標為橋梁承載能力、應力狀況、荷載作用下的變形及裂縫寬度。

2 淺基礎橋梁加固方法

2.1 墩臺基礎加固措施

橋梁墩臺基礎加固的最常用方法有：基礎擴大加固、補打加強樁體法、噴漿加固周邊地基、地基加固夯實法等;墩柱加固的方法常用的有：護套加固法、加強支撐加固法、增加套箍或護套加固法、支撐法加固或增加擋墻加固等[2]。

（1）基礎擴大加固：通過增加橋梁基礎的面積來改善橋梁基礎的受力，該方法稱為基礎擴大加固法，對于淺埋基礎，基底埋深較淺，承載力不足的橋梁進行加固效果明顯，通常該類擴大基礎形式是磚石或混凝土剛性實體。

（2）補打加強樁體法：當橋梁采用樁基基礎形式，需要進行加固時，采用補打加強樁體，擴大原有的承臺以加強橋梁的承載力，該方法能夠增加基礎的穩(wěn)定性、提高基礎承載力、增加橋梁安全性效果明顯。

（3）噴漿加固周邊地基法：噴漿加固地基技術(shù)在實際應用中非常廣泛，噴漿加固地基基礎方法可靠有效，已成為我國最常用的地基處理方法。

（4）地基加固夯實法：當?shù)鼗A周邊天然土體較松軟，通過人工夯實能夠有效增加地基土體的密實度和承載力，保障了橋梁基礎承載力要求，最常用的是灰土拌合后夯實加固或砂樁加固夯實法。

（5）支撐法加固：由于橋墩已不滿足上部荷載的要求，在背土壓力的作用下，使橋孔發(fā)生傾斜或滑移，此時需要通過修筑側(cè)向撐壁法支撐樁來保證橋梁的安全穩(wěn)定。對于橋臺臺背壓力過大引起橋臺發(fā)生傾斜，可在臺背增加擋墻以增強橋臺的抗滑能力。

2.2 上部結(jié)構(gòu)加固

橋梁基礎的沉降、位移必定會對橋梁上部結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生影響，因此，對橋梁上部結(jié)構(gòu)的加固常采用的方法有增加梁體截面和配筋加固、體外預應力加固、粘貼鋼板加固、主梁替換加固、噴射混凝土加固、增加梁體聯(lián)系、碳纖維粘結(jié)加固等。

（1）增加梁體截面和配筋加固：通過增加梁體的截面，改善梁體受力，提高梁體的承載能力。增加梁體的配筋，改善原有橋梁的力學性能，強度、剛度、穩(wěn)定性方面都能夠很好得到改善。該方法通過增加梁底和梁側(cè)的尺寸，增加主筋有效提高梁體截面，從而達到增加梁體承載力的目的。

（2）體外預應力加固：采用預應力來增加梁體整體剛度，施工工藝較為復雜，但是加固效果較明顯。這種加固方法能夠在很少增加梁體自重的情況下，極大地提高梁體承載能力，有效減少橋墩荷載，增加橋梁承載能力。

（3）粘貼鋼板加固：在梁體表面粘貼鋼板，提高梁體整體的抗彎剛度，通過在梁體的薄弱位置用粘結(jié)劑和錨栓將梁體表面無縫固定鋼板，使鋼板和混凝土形成一個整體，達到提高梁體承載力的目的。

（4）主梁替換加固：這種方法適用于舊橋完全無法滿足使用要求。加固后無法滿足使用要求的橋梁，需要完全更換后才可使用，如果不進行更換后期養(yǎng)護費用會很高，也影響行車的安全性。

（5）噴射混凝土加固：部分混凝土橋梁經(jīng)過長年累月的剝落等原因，使得橋梁截面尺寸偏小，不能滿足橋梁抗剪強度要求，通過噴射混凝土增加梁體截面，從而滿足橋梁抗剪要求。

（6）增加梁體聯(lián)系加固：近些年來通過增加橫向聯(lián)系來改善橋梁的性能方法越來越多，這種方法能夠有效改善上部荷載分布規(guī)律，從而改善梁體結(jié)構(gòu)的承載能力。

（7）碳纖維粘結(jié)加固：碳纖維加固技術(shù)是近些年來發(fā)展起來的新型結(jié)構(gòu)加固材料，碳纖維結(jié)構(gòu)具有很高的強度，碳纖維的耐腐蝕、抗疲勞、耐久性、強度等優(yōu)良的性能。利用樹脂材料將碳纖維與混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)起來，協(xié)同工作，以達到加固和改善混凝土性能的目的。

2.3 淺基礎水毀加固措施

對于淺埋基礎橋梁主要存在水毀對基礎損壞，因此本節(jié)重點介紹以下幾種常用的加固方法。

（1）當橋梁淺埋基礎受到較輕沖刷時，且抗水毀等級為二級，可以采用柳枝、荊條編成梢捆內(nèi)部裝卵石和片石進行基礎四周防護，該方法抗沖刷能力效果較為明顯，沖擊力較大時，需要在梢捆壓石頭穩(wěn)定，該方法造價低，防護效果差。

（2）橋梁基礎受沖刷形成較深的沖刷坑時，且抗水毀等級為二級，采用拋石對墩臺四周進行防護，填至河床水位以上，有效防止墩臺再次受到?jīng)_刷，該方法造價相對較低，防護效果一般。

（3）當橋墩及基礎沖刷較為嚴重，且抗水毀等級為二級或一級，采用石籠防護進行加固，該方法外部用鐵絲網(wǎng)眼作為外框，需要的石籠數(shù)量和尺寸根據(jù)工程實際洪水流量制作，一般一個石籠防護厚度在20～40 cm，埋入河床一般要求埋入1 m，該方法造價相對較低，防護效果較好。

石籠橋梁防護網(wǎng)廣泛應用于淺埋基礎、受河水沖刷嚴重的橋梁，應用于橋墩及橋梁扶垛斜面的防護上。其中，根據(jù)橋梁扶垛斜面的傾斜度來選擇防護體的種類。斜面陡直，可應用石籠網(wǎng)重力防護墻，斜面平緩，則可使用石籠網(wǎng)斜坡防護系統(tǒng)。無論是哪種體系的應用都應該考慮到防護體的沖刷和陷沉問題。當然，石籠網(wǎng)擋板的使用可以有效防止沖刷與陷落。

（4）當橋墩及基礎沖刷較為嚴重，且抗水毀重要性等級為二級或一級，沿橋墩周邊打入鋼板樁，在鋼板樁與墩基礎之間采用毛石或毛石混凝土填充，通常鋼板樁打入沖刷線以下1 m，該方法造價較高，防護效果好。

（5）水流對橋下基礎及下游沖刷嚴重，為緩沖沖刷影響，且抗水毀重要性等級為二級或一級，采用三級消力坎方式進行防護，該方法通常不單獨使用，需要配合其他加固措施一起使用，該方法造價適中，防護效果較好。

（6）水流對小橋下基礎及下游沖刷嚴重，為緩沖沖刷影響，抗水毀重要性等級為二級或一級，防護要求不是很高，可以采用小橋底基礎鋪砌，在小橋出口設置挑流防護，或在小橋的進水口處增加斜坡和隔水墻，該方法造價適中，防護效果一般。

3 案例分析

3.1 工程概況

該文依托淺埋基礎跨徑22 m小橋為研究對象，該橋采用普通硅酸鹽水泥，T型梁結(jié)構(gòu)，混凝土采用C30標號，下部采用淺挖擴大基礎，屬于最普通的結(jié)構(gòu)形式，橋面凈寬度為9 m。橋梁建成至今已經(jīng)進行了三次大修加固，本次采用荷載試驗對橋梁安全性進行分析，橋梁屈服強度為300 MPa，并進行了超聲回彈儀測試，以便更好地了解混凝土橋梁現(xiàn)有狀況，混凝土橋梁及界面如圖1所示[3]。

3.2 病害原因分析

通過對原橋進行實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)該橋梁存在較多病害，主要是基礎沖刷和梁體裂縫，裂縫主要分布位置為橋梁腹板，且內(nèi)側(cè)裂縫數(shù)量大于外側(cè)，主要分布于支點附近以及跨中位置，底板跨中位置橫向裂縫較多，頂板合攏位置縱縫較多，通過對橋梁病害分析可知，產(chǎn)生原因有以下幾點：

（1）基礎受水流沖刷嚴重。根據(jù)橋梁安全性調(diào)查分析，橋梁基礎存在較嚴重的沖刷，基礎位置形成2 m多沖刷坑，增加了橋梁基礎的風險，分析其原因，是由于橋梁基礎位置在水流不斷沖刷作用下形成渦流作用，這種作用下將橋墩位置泥沙帶走形成沖刷坑。

（2）梁體結(jié)構(gòu)彎矩變大。通過分析研究，橋梁梁體的結(jié)構(gòu)彎矩會受基礎沉降影響，由于橋梁墩臺位置的下沉會對橋梁產(chǎn)生拉變形;橋梁的施工質(zhì)量同樣對橋梁的結(jié)構(gòu)彎矩也會有很大影響。

（3）橋梁承載力下降。橋梁在荷載作用下會使橋梁逐漸產(chǎn)生疲勞損壞，在這種作用下梁底會產(chǎn)生裂縫，導致梁底開裂，梁底鋼筋在空氣作用下逐漸產(chǎn)生銹蝕降低梁體的承載能力，基于這種情況，需要采取適當?shù)募庸檀胧?，對梁體加固后才能滿足承載力要求，橋梁承載力評價流程如圖2所示。

（4）溫度梯度影響。橋梁在進行結(jié)構(gòu)分析時，忽略了溫度梯度帶來的橫向效應。橋梁的梁體結(jié)構(gòu)受溫度收縮變形影響，存在不均勻溫差，梁板在溫度作用效應下產(chǎn)生的橫向拉應力。梁體順橋方向上存在壓應力，因此會產(chǎn)生橫向拉應變，導致橋梁跨中產(chǎn)生裂縫[4]。

4 橋梁加固效果分析

為保證橋梁基礎周邊牢固穩(wěn)定，該文對橋梁加固時淺基礎采用石籠防護?，F(xiàn)狀橋梁梁體部分產(chǎn)生開裂，承載力不滿足道路安全運營的要求，因此對梁體進行體外預應力進行加固，提高橋梁的安全性能。

通過對橋梁的現(xiàn)狀調(diào)查和荷載試驗的檢測，表明橋梁此時承載力滿足使用要求，但橋梁在正常使用過程中的抗裂指標不滿足設計要求，因此本節(jié)通過體外預應力加固來提高橋梁的抗裂性能，同時對加固后的橋梁進行驗算，主要驗算指標有：抗裂性能、抗壓性能。得出結(jié)論如下所示：

（1）結(jié)構(gòu)抗裂驗算。通過對加固效果進行分析可知：通過體外預應力加固后，橋梁主梁抗裂性能有明顯當?shù)奶岣撸芽p完全閉合收縮。因此采用預應力能有效提高梁體的抗彎剛度，能夠承受更多的橋上荷載。

對梁的底板、跨中底板、梁頂板上緣等位置進行了抗裂驗算，采取的體外預應力加固可以使橋梁的正截面抗裂性能有所提高，進行加固后橋梁抗裂驗算滿足設計要求。通過對梁的斜截面進行抗裂驗算可知該性能同樣能滿足設計要求。

（2）混凝土抗壓驗算。通過對主梁壓應力進行計算，該加固方法有效增大正截面混凝土的壓應力，但增大的數(shù)值相對較小，滿足橋梁加固驗算要求，并滿足橋梁安全性驗算要求。體外預應力加固后的橋梁的抗壓性能明顯得到提高，可以得出：體外預應力加固技術(shù)可提高橋梁抗壓性能。

5 結(jié)語

（1）橋梁安全性的評價主要內(nèi)容：橋梁承載能力、橋梁耐久性、橋梁適用性的評定。

（2）淺埋基礎橋梁通常適用于跨徑不大的位置，橋梁主要存在基礎病害和橋梁結(jié)構(gòu)病害，結(jié)構(gòu)主要以梁體為重點分析對象，混凝土存在病害主要為裂縫，其受力方式主要為預應力或鋼筋承受拉應力，混凝土承受壓應力，混凝土出現(xiàn)病害的主要原因是拉應力不足。該文采用體外預應力加固措施對梁體加固效果進行分析。

（3）淺埋基礎橋梁通常適用于跨徑不大的位置，橋梁主要存在基礎病害和橋梁結(jié)構(gòu)病害，結(jié)構(gòu)主要以梁體為重點分析對象，混凝土存在病害主要為裂縫，其受力方式主要為預應力或鋼筋承受拉應力，混凝土承受壓應力，混凝土出現(xiàn)病害的主要原因是拉應力不足。該文采用體外預應力加固措施對梁體加固效果進行分析。

（4）通過淺埋基礎橋梁安全性評價分析，橋梁產(chǎn)生病害的主要原因有：水流沖刷基礎、溫度梯度影響、施工影響等。通過對現(xiàn)狀橋梁進行分析可知橋梁梁底裂縫會使梁體鋼筋銹蝕，從而降低梁體的承載力，影響橋梁承載能力。

（5）對橋梁進行體外預應力加固，通過對結(jié)構(gòu)抗裂性能、混凝土抗壓性能進行驗算可知，該加固方法可提高橋梁的抗彎抗裂性能，增加橋梁的使用年限。

參考文獻

[1]黃建鋒.拱橋加固及改造方法研究[J].山西建筑，2021（24）：94-96.

[2]王元棟.公路橋梁加固方法與應用分析[J].四川建材，2021（12）：73-74.

[3]王文煒.公路橋梁病害成因與加固技術(shù)研究[J].四川建材，2021（12）：94-95+97.

[4]張延年.公路橋梁加固施工技術(shù)措施和質(zhì)量控制分析[J].四川水泥，2021（12）：215-216.