淺析甘肅地區(qū)濕陷性黃土地域橋梁設(shè)計施工要點(diǎn)

鄧 強(qiáng)

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 濕陷性黃土在甘肅省的主要分布特征

我國有大面積的濕陷性黃土地區(qū)，其中以黃河流域分布較為常見。黃土的崩解性、透水性、易沖刷等獨(dú)有特質(zhì)會在各種氣候條件或地質(zhì)變化過程中引發(fā)一系列工程問題。例如，黃土陷穴、邊坡垮塌失穩(wěn)，形成崩塌性暗溝等。所以應(yīng)在設(shè)計與施工階段對“土”的問題引起足夠的重視。

甘肅省中、東部地區(qū)為黃土高原，黃土分布面積約為12萬km2，主要分為隴東黃土高原（海拔1200～1800m）和隴西高原（海拔1 200～2 500 m）。其中隴東高原區(qū)按照地質(zhì)構(gòu)成又分為陜甘黃土梁區(qū)（黃土具有強(qiáng)濕陷性，濕陷強(qiáng)度等級為Ⅲ級）；陜甘河谷平原區(qū)（黃土具有強(qiáng)濕陷性，濕陷強(qiáng)度等級為Ⅲ級）。隴西黃土高原區(qū)按照地質(zhì)構(gòu)成又分為隴西黃土梁、峁區(qū)（蘭州、定西等地區(qū)黃土具有強(qiáng)濕陷性，濕陷強(qiáng)度等級為Ⅲ級；渭源、隴西等地區(qū)具有極強(qiáng)濕陷性，濕陷強(qiáng)度等級為Ⅳ級）；隴西河谷平原區(qū)（二級階地具有中濕陷性，濕陷強(qiáng)度等級為Ⅱ級；天祝、天水等地區(qū)黃土具有強(qiáng)濕陷性，濕陷強(qiáng)度等級為Ⅲ級；隴西河谷平原區(qū)一級階地具有中等濕陷性，濕陷強(qiáng)度等級為Ⅱ級）[1]。

根據(jù)以上資料分析，甘肅省黃土大部分還是以濕陷性黃土為主，濕陷強(qiáng)度等級為Ⅱ～Ⅳ級，分布較為廣泛，厚度偏大，承載力偏弱，對橋梁建設(shè)的安全隱患較大。

2 橋梁在濕陷性黃土區(qū)施工普遍存在的問題

2.1 墩臺施工發(fā)生沉降

根據(jù)工程經(jīng)驗與鉆探與地質(zhì)調(diào)繪的收集資料，甘肅省大面積濕陷性黃土區(qū)地基土層主要為第四系全新統(tǒng)人工成因的填筑土及壓實(shí)填土（Q4ml），第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積成因（Q3eol）的黃土、沖洪積成因（Q3al+pl）的粉質(zhì)黏土、粗砂、礫砂及新近系（N）砂質(zhì)泥巖組成并且黃土比重較大。相對于其他地區(qū)橋梁施工，在濕陷性黃土地區(qū)勘察鉆探時，土體狀況不能全面地反映出來，尤其在雨天情況變化復(fù)雜的情況下。在架設(shè)橋梁時，由于土體承載力過低，土層情況不明確，在灌筑樁基過程中，因自身重力影響，很容易產(chǎn)生豎向位移，或在樁基混凝土凝結(jié)期未達(dá)到指標(biāo)要求時便發(fā)生了局部的沉降風(fēng)險，對施工造成嚴(yán)重影響，提高施工的難度。

2.2 黃土力學(xué)性質(zhì)較差，樁基易發(fā)生剪切破壞

由于濕陷性黃土力學(xué)性質(zhì)較差，土層又過厚，根據(jù)原有舊橋設(shè)計發(fā)現(xiàn)，通過勘察鉆探資料提供的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值[qk]、承載力基本允許值[fa0]在黃土段較小，甚至?xí)a(chǎn)生負(fù)影響。使得在樁基長度計算時，樁長普遍較長，會導(dǎo)致樁基產(chǎn)生剪力過大的問題。黃土層若受持續(xù)降雨或地下水長期侵蝕的影響，在一定的影響階段后會發(fā)生瞬間的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)情況，土體的反向壓力不足以支撐結(jié)構(gòu)受力。樁基受到剪切破壞，產(chǎn)生彎曲變形的風(fēng)險。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG 3363—2019），當(dāng)樁端的埋置深度大于40 m時，有效樁長最大按40 m計算[2]，這樣在設(shè)計樁長時，樁端處土的承載力允許值[qr]若未滿足規(guī)范要求，則調(diào)整辦法較少。

2.3 自然降水對土體沖刷的影響

甘肅干旱、半干旱區(qū)占總面積約75%，近年來根據(jù)水文氣象資料，降雨較為頻繁，尤其定西屬高原丘陵溝壑區(qū)，若發(fā)生暴雨洪水等自然災(zāi)害，受雨水浸泡影響，濕陷性黃土將不存在任何的力學(xué)性質(zhì)。無植被附著的泥土隨著水流裹帶、淤積慢慢演變成滑坡、泥石流、滑塌等自然災(zāi)害。對正在施工中的結(jié)構(gòu)工程嚴(yán)重破壞。例如，墩臺位移，有效樁長變短，梁體坍塌等危險災(zāi)害。

2.4 黃土陷穴失穩(wěn)垮塌

黃土陷穴按構(gòu)造形式可分為漏斗狀、串珠狀、豎井狀，在甘肅省均有大量分布。由于公路類型項目里程較長，占地面積較大，沿線涉及的黃土陷穴必然數(shù)量極大，有時由于黃土陷穴的存在，雨水、地下水順陷穴灌入可直接引起道路路基下沉，服務(wù)區(qū)、養(yǎng)護(hù)區(qū)房屋下沉開裂等災(zāi)害發(fā)生。特別是地下暗穴，由于不易被發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常在施工結(jié)束后，在運(yùn)營階段產(chǎn)生大量的沉降、裂縫、坍塌等問題，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失及安全隱患。

同時，黃土陷穴在橋梁設(shè)計施工時也是一個必須處理的典型工程問題，必須對這些問題進(jìn)行調(diào)查研究和分析論證，給出定性定量評價，確保構(gòu)造物及周邊環(huán)境的安全。

3 濕陷性黃土區(qū)橋梁病害的產(chǎn)生原因

3.1 針對“水”的問題分析

甘肅省黃土地區(qū)屬大陸性氣候區(qū)，該氣候區(qū)雨水較少，其中濕陷性黃土地區(qū)地形又以黃土塬、黃土梁峁為主，植被覆蓋率低。若遇暴雨影響，無植被提供附著，會在短時間內(nèi)形成地面徑流，大量的雨水順山坳、山溝匯集，對土體產(chǎn)生浸泡。由于濕陷性黃土空隙率高，原有保水率低的特性，土體浸濕時，分子顆粒間聯(lián)系變?nèi)?，原有膠結(jié)物軟化，黃土骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度失效。在工程構(gòu)造物及土體自重壓力的共同作用下，其結(jié)構(gòu)迅速破快，大孔隙塌陷，導(dǎo)致黃土的濕陷變形。

3.2 設(shè)計和施工中排水設(shè)計不完善

在設(shè)計和施工橋梁時，往往技術(shù)人員只針對路線范圍內(nèi)的部分進(jìn)行防排水設(shè)計。通過地基夯實(shí)，設(shè)計排水溝、截水溝，回填壓實(shí)黃土陷穴、溶洞、暗溝等措施進(jìn)行排水處理。比較容易忽視的是對“水”的源頭分析。因為工期較趕、排查較麻煩等原因而不愿對可能會存在的溶洞、黃土陷穴、暗溝等暗穴的地下水位置、地下水的深度范圍進(jìn)行核查，對產(chǎn)生災(zāi)害的原因進(jìn)行分析，容易造成處治的不完善或者處治效果不能滿足需要，存在一定的安全隱患。

3.3 施工階段工藝與工序的考量

在施工時，施工的工藝與工序不當(dāng)也往往容易產(chǎn)生病害。例如在進(jìn)行橋梁臺前刷坡時，施工單位已經(jīng)進(jìn)行了樁基施工，則橋墩范圍內(nèi)的刷坡臺階無法進(jìn)行壓實(shí)，在設(shè)置平臺排水溝后，很可能因未壓實(shí)段的沉降影響而造成混凝土開裂，無法有效排水，雨水下滲，在日積月累的影響下造成樁基范圍土體的掏空、垮塌，影響橋梁的整體安全性和使用性。

4 濕陷性黃土地區(qū)病害處治的方法

4.1 橋梁構(gòu)造物下部結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計

針對濕陷性黃土地區(qū)的結(jié)構(gòu)物設(shè)計。濕陷性黃土承載力低，遇水失去效能，應(yīng)慎用重力式橋墩。大中橋宜采用樁基礎(chǔ)，在樁長設(shè)計時，濕陷性黃土區(qū)地基承載力一般小于200 Mpa[3],且摩阻力取值為負(fù)值，有效樁長變短，雨水或邊溝水浸入黃土，反而會增加土體自重，使結(jié)構(gòu)物承受更大的側(cè)向壓力。當(dāng)有效樁長大于40m卻達(dá)不到承載力要求時，建議采用多墩柱形式，利用群樁增加承力點(diǎn)的方式使承載力達(dá)到設(shè)計要求。還可以通過增大樁徑來減少剪力形變，增大摩擦面使承載力提高的方法達(dá)到橋梁結(jié)構(gòu)物的安全設(shè)計。

4.2 橋梁岸坡土體加固處理

對天然狀態(tài)下斜坡由于土體力學(xué)性質(zhì)較差，為消除滑移隱患，往往先通過采用畢肖普（Bishop）條分法來進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，根據(jù)計算參數(shù)值及計算結(jié)果采取針對性的防范處治措施

橋梁坡岸土體加固實(shí)例介紹。

某甘肅黃土高原區(qū)橋梁計算表明小樁號側(cè)自然狀態(tài)下岸坡穩(wěn)定性系數(shù)K=1.213，即天然狀態(tài)下斜坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；非正常工況Ⅰ（暴雨）下K=0.911，即暴雨狀態(tài)下斜坡處于滑移狀態(tài)；非正常工況Ⅱ（地震）下K=0.973，即地震狀態(tài)下處于滑移狀態(tài)。

大樁號側(cè)自然狀態(tài)下岸坡穩(wěn)定性系數(shù)K=1.003，即天然狀態(tài)下斜坡處于臨界狀態(tài)；非正常工況Ⅰ（暴雨）下K=0.891，即暴雨狀態(tài)下斜坡處于滑移狀態(tài)；非正常工況Ⅱ（地震）下K=0.876，即地震狀態(tài)下處于滑移狀態(tài)。

為保證邊坡穩(wěn)定為目的，以邊坡穩(wěn)定性分析為依據(jù)，對橋下及上、下游岸坡土體進(jìn)行削平、開挖，且應(yīng)先于橋梁下部結(jié)構(gòu)施工前進(jìn)行。在開挖卸載土體后，建議按照1∶0.75～1∶1.5的坡率進(jìn)行放坡，若邊坡高度H≧8 m,按8 m一臺設(shè)置臺階，邊坡平臺在臺階式邊坡中設(shè)置，其寬度一般大于2 m。在坡面和平臺施工完成后，應(yīng)及時對其壓實(shí)，壓實(shí)度應(yīng)保證滿足規(guī)范，壓實(shí)后的平臺應(yīng)逐一設(shè)置平臺排水溝。

在對該橋岸坡進(jìn)行處理后，經(jīng)計算小樁號側(cè)（處理后）橋臺斜坡正常工況下K=1.391，即正常狀態(tài)下坡面處于穩(wěn)定狀態(tài)；非正常工況Ⅰ（暴雨）下K=1.160，既暴雨狀態(tài)下刷坡坡面處于為穩(wěn)定狀態(tài)；非正常工況Ⅱ（地震）下K=1.177，即地震狀態(tài)下坡面處于穩(wěn)定狀態(tài)。

經(jīng)計算大樁號側(cè)（處理后）橋臺斜坡正常工況下K=1.230，即正常狀態(tài)下坡面處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；非正常工況Ⅰ（暴雨）下K=1.206，即暴雨狀態(tài)下坡面處于為穩(wěn)定狀態(tài)；非正常工況Ⅱ（地震）下K=1.107，即地震狀態(tài)下坡面處于穩(wěn)定狀態(tài)。

岸坡問題往往相較主體結(jié)構(gòu)反而更應(yīng)得到重視，橋梁岸坡的防治使其穩(wěn)定性得到了顯著提高，一系列可能存在的安全隱患得到了解決，并保證了交付后的長久使用。

4.3 濕陷性黃土地區(qū)關(guān)于橋址范圍內(nèi)排水處治綜合方案

濕陷性黃土土體穩(wěn)定性較差，地貌也相對復(fù)雜，若地下水結(jié)構(gòu)由于施工發(fā)生變化或雨水無法及時排出會對所在區(qū)域土體性質(zhì)產(chǎn)生變化，從而影響到沿線各類交通工程。所以在進(jìn)行公路設(shè)計施工時，排水工程應(yīng)作為設(shè)計重點(diǎn)來進(jìn)行綜合考慮。在橋梁結(jié)構(gòu)物部分除設(shè)置平臺排水溝外，還應(yīng)重點(diǎn)設(shè)計綜合性排水設(shè)施以預(yù)防無法注意到的水毀災(zāi)害。

4.3.1 根據(jù)流水地形布設(shè)導(dǎo)流堤

根據(jù)設(shè)計流量及沖刷計算，并根據(jù)平縱縮圖在河道兩側(cè)合理布設(shè)導(dǎo)流堤，起到減少水流對岸坡的沖刷作用并穩(wěn)定兩岸土體結(jié)構(gòu)。

4.3.2 排水結(jié)構(gòu)物的選取

在路基及橋頭岸坡通過布置排水溝、平臺排水溝、邊溝、吊溝等設(shè)施確保雨水及灌溉水有效排出工程項目外范圍。

在橋頭兩側(cè)路線設(shè)置涵洞，目的是將農(nóng)業(yè)用灌溉水、路線邊溝匯水及非橋梁段區(qū)域的雨水隔絕，減低水對結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)脆弱土體的影響。

4.4 黃土陷穴的處治

黃土地區(qū)受黃土陷穴影響較為集中，多分布于階地與水流沖溝的邊緣地帶，也是甘肅省常見的病害之一，多成串珠狀或漏斗形。施工時需根據(jù)陷穴距橋梁、坡岸、保通便道的距離及位置，對陷穴采取挖除（路塹深度內(nèi)）、開挖換填等方式處理。在交竣工后各公路段養(yǎng)護(hù)部門，應(yīng)注意新近陷穴的形成，并通過強(qiáng)夯法、換填土工格室法、爆破法、灌漿法、SDDC法針對不同陷穴的大小及結(jié)構(gòu)類型選取解決方案。

4.5 橋頭“跳車”處治

橋梁臺背在填土施工時受濕陷性黃土沉降影響，極易發(fā)生橋頭“跳車”現(xiàn)象，分析原因為橋頭路基且路基與橋頭銜接部分土體不易壓實(shí)，黃土受水浸泡力學(xué)性質(zhì)失效且易變形，建議在大、中橋橋頭設(shè)置橋頭搭板，二級以上公路的小橋也應(yīng)設(shè)置搭板。在不設(shè)計搭板的橋梁也應(yīng)采取換填、粉噴樁等技術(shù)措施進(jìn)行處理，保證路基的壓實(shí)度和承載力，減少沉降[4]。

4.6 河道整治

濕陷性黃土段河流由于徑流匯聚時間短，短時間內(nèi)沖溝匯聚較大流量，且周圍植被較差，一旦暴雨徑流形成，將搬運(yùn)大量泥沙，造成河槽局部沖切、嚴(yán)重淤積等問題，以某甘肅黃土高原區(qū)橋梁為例：軌面高程至溝底為48 m，主溝槽寬57 m，兩岸岸坎直立，經(jīng)過長時間的徑流搬運(yùn)，溝底泥巖暴露，兩岸受雨水沖刷，溝槽逐漸拓寬，岸坎出現(xiàn)滑塌、崩塌現(xiàn)象。除進(jìn)行岸坡處治外，需對現(xiàn)狀河道進(jìn)行整治。施工時應(yīng)根據(jù)設(shè)計文件中給定的樁號、高程，對河槽進(jìn)行開挖或回填，并與上下游現(xiàn)狀河槽順直，便于排水，減少河岸的沖刷。在有條件時，對河底進(jìn)行混凝土或漿砌結(jié)構(gòu)的鋪砌處理。

4.7 動態(tài)設(shè)計及監(jiān)控方案

為確保安全施工和準(zhǔn)確設(shè)計，施工、監(jiān)理和建設(shè)單位應(yīng)加強(qiáng)施工現(xiàn)場各種復(fù)雜工點(diǎn)的動態(tài)觀測。在施工結(jié)束后設(shè)置動態(tài)監(jiān)測站，對橋梁梁體是否變形、下?lián)希瑯痘欠駜A斜，邊坡土體是否產(chǎn)生裂縫、滑塌等各項數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，保證橋梁的長久使用及安全通車運(yùn)行。

5 結(jié)語

橋梁是非常重要的一種基礎(chǔ)設(shè)施，對于人們的生活有著重要的影響。但是，濕陷性黃土地區(qū)的不穩(wěn)定性給橋梁的正常使用帶來很大的危害，因此需要人們高度的重視，采取有效措施進(jìn)行針對性預(yù)防，對黃土區(qū)設(shè)計施工時的問題原因有著準(zhǔn)確了解，并根據(jù)工程經(jīng)驗提出解決辦法，達(dá)到理想的使用條件。通過設(shè)計、施工交底，實(shí)時把控工程質(zhì)量，確保橋梁在各類氣候及環(huán)境的影響下依然能安全的使用，保證交通運(yùn)輸事業(yè)的有效安全運(yùn)行。