高壓旋噴樁-鉛絲石籠組合法在某跨河橋梁樁基加固中的應(yīng)用

曹書芹，趙娜 （河北省交通規(guī)劃設(shè)計院，河北 石家莊 050011）

0 前言

在高速公路跨河橋梁中，樁基礎(chǔ)被廣泛應(yīng)用。樁基沖刷是橋梁病害主要形式之一，樁基沖刷嚴(yán)重時可危害橋墩安全，造成人身和經(jīng)濟損失。2016年7月19日邢臺地區(qū)突降暴雨，某跨河大橋遭遇百年一遇洪水，洪水沖刷過后，河道明顯下切，造成部分橋墩基樁外露，且部分露樁出現(xiàn)鋼筋外露銹蝕。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，分析了該大橋淺基病害的原因，并對加固方案進(jìn)行比選，提出了針對性的加固措施。

1 工程背景

該高速公路跨河大橋[1]位于河北省邢臺市，左右分幅，其中左橋建成于1996年，橋梁總長845.7m，橋?qū)?1m+2×0.5m人行道板。右橋建成于1976年，橋梁總長664m，橋?qū)?1m+2×1m人行道板。下部采用樁柱式墩臺，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為汽車-20級，掛車-100級。河床經(jīng)多年沖刷，下切嚴(yán)重?，F(xiàn)有地層為表層中細(xì)砂，厚約10m，以下為厚層卵石。橋下現(xiàn)凈空12m～14m。

洪水沖刷過后，河道顯著下切，造成部分橋墩基樁外露，其出露長度最長達(dá)到6.5m，且部分露樁出現(xiàn)鋼筋外露銹蝕?，F(xiàn)狀局部沖刷線標(biāo)高約為58.1m，已經(jīng)超過原設(shè)計局部沖刷線55.7m，若河床繼續(xù)下切將導(dǎo)致基樁埋置深度不足，造成基樁承載力不滿足要求，形成典型的淺基橋墩病害。根據(jù)文獻(xiàn)資料記載，淺基橋墩病害對橋梁安全具有極大影響，歷史上造成了多起橋梁水毀事故。另外，該大橋交通繁忙，超載超限車輛較多，對大橋的基樁穩(wěn)定性提出了較高的要求。因此，為保證行車安全，需采取處置措施，以防止河床繼續(xù)下切洪水對橋墩基樁的沖刷，并確保橋墩基樁承載能力的發(fā)揮。

圖1 某跨河大橋沖刷現(xiàn)狀

2 病害成因分析

該大橋淺基病害形成的直接原因是沖刷加劇，引起河床下切，導(dǎo)致基礎(chǔ)埋深不足。沖刷加劇的成因較多，本工程中主要涉及兩個方面。

①遭遇特大洪水，汛期河水暴漲、橋下過水量大，導(dǎo)致局部沖刷嚴(yán)重。

②由于該區(qū)域采砂活動頻繁，打破了本河段內(nèi)水流挾砂量與上游來砂量之間的基本平衡，導(dǎo)致上游來砂量不足以彌補本河段泥沙的損失，進(jìn)而使得河床的自然坡度和水流狀態(tài)發(fā)生改變，引起局部流速較大，進(jìn)一步加劇泥沙的損失，即出現(xiàn)所謂的溯源性沖刷，造成了河床下切。

由于造成河床沖刷下切的兩大原因難以消除，故未來其河床下切將難以避免。為保證該橋的長期穩(wěn)定性，有必要采取措施對其基樁進(jìn)行維修加固。

3 基礎(chǔ)加固方案研究

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的情況，經(jīng)過分析計算討論，對于該大橋的病害治理應(yīng)是對樁基沖刷進(jìn)行預(yù)防，并保證河床在繼續(xù)下切后樁基承載力的正常發(fā)揮。對樁基沖刷治理常用的方案有以下四種。

3.1 高壓旋噴樁加固法

旋噴樁加固是在既有淺基礎(chǔ)下采用旋噴鉆機，將加固漿液注入預(yù)定的區(qū)域內(nèi)，從而形成復(fù)合地基，改善基礎(chǔ)承載力。旋噴樁的主要成分是水泥、土和水，其加固機理在于途中摻入了一定量的水泥，使土體變成一種土和水泥結(jié)合的凝固體，能極大增強土體的抗沖切力[2]。旋噴樁可起到閉水和防沖刷的作用，即使在河道繼續(xù)下切的情況，仍能保護(hù)基樁不受洪水沖刷，并提供樁側(cè)摩阻力。

3.2 鉛絲石籠防護(hù)法

為防止橋墩周圍河床沖刷加劇，在每排橋墩周圍設(shè)置鉛絲籠防護(hù)臺，鉛絲籠周邊設(shè)置沉樁，以穩(wěn)定鉛絲籠。

鉛絲石籠是在用鉛絲編制結(jié)成網(wǎng)格的籠狀體內(nèi)填塊石，網(wǎng)格的大小以不漏填充的石塊為限。此次設(shè)計鉛絲籠采用φ8鋼筋做框架，用12號鉛絲編制成網(wǎng)格，并在框架結(jié)點處上下左右用鉛絲連接起來，以增加石籠的整體性。

3.3 高壓旋噴樁-鉛絲石籠組合法

先按照方案一的方法進(jìn)行旋噴樁施工，再按照方案二的方法進(jìn)行鉛絲石籠防護(hù)。采用這種組合法既能防止基礎(chǔ)沖刷，又能增加樁基的穩(wěn)定性和承載力。

3.4 混凝土模袋防護(hù)法

在橋下河面澆筑混凝土模袋，根據(jù)計算，厚度采用20cm，灌充混凝土為C20。為了保持模袋的穩(wěn)定，在上下游模袋的邊緣分別挖出深2m的溝槽，將模袋混凝土埋入，上填塊石護(hù)腳。為保證模袋的整體性，采用鉸鏈型模袋。

4 加固方案比選

由上表方案對比可知，方案三為最優(yōu)方案，故建議采用旋噴樁-鉛絲石籠防護(hù)方案作為本工程的加固方案。

方案比較

5 旋噴樁-鉛絲石籠防護(hù)方案設(shè)計

5.1 旋噴樁加固參數(shù)確定

為達(dá)到防沖刷和河道繼續(xù)下切后基樁承載能力仍能正常發(fā)揮的目的，加固圈厚度需滿足一定的要求。加固圈厚度的確定方法，取其計算結(jié)果作為基本厚度。

由于河床最大沖刷線難以準(zhǔn)確預(yù)測與計算，因此假設(shè)河床下切速度與前40年相當(dāng)，均為 6.5m/40年=0.1625m/年，則剩余60年使用壽命中河床最大沖刷深度0.1625m/年×60年=9.75m≈10m。

假設(shè)旋噴樁固化前后對基樁的側(cè)壓力保持不變。則從保證河床下切后樁側(cè)壓力不變的角度可以計算加固圈的最小厚度。具體計算過程如下。

將加固圈視為薄壁圓筒，則其計算簡圖如圖2所示。其中P為作用在基樁上的側(cè)向土壓力，F(xiàn)為加固圈環(huán)向抗拉強度。

圖2 薄壁圓筒力學(xué)平衡計算簡圖

根據(jù)力的平衡，可知：

上式中，t為加固圈厚度，D為樁徑（D=1.2m[1]），P樁側(cè)土壓力，F(xiàn)為旋噴樁加固圈的抗拉強度。

P取最大側(cè)壓力處的應(yīng)力平衡狀態(tài)作為控制工況，則：

抗拉強度取無側(cè)限抗壓強度的1/20，旋噴樁無側(cè)限抗壓強度一般為2～3MPa，取旋噴樁抗拉強度為F=100kPa。

依據(jù)式（1），加固圈厚度：

加固圈的最小厚度為1.2m，故需要布置600mm樁徑的旋噴樁兩圈。

另外，考慮到旋噴樁加固圈需要承受上游沖刷，在加固區(qū)上下游方向各布一排“防護(hù)帽”，在系梁下方布置兩排旋噴樁防止洪水對系梁下部河床的局部沖刷。從大橋剩余生命周期河床最大可能下切深度和基樁承載力正常發(fā)揮兩方面考慮，將加固圈豎直方向上深度定為10m。構(gòu)造詳見加固設(shè)計圖3所示。

5.2 加固方案

通過以上計算，最終確定加固方案如下：采用旋噴樁對樁基加固，保持并提高其承載力，并在旋噴樁周圍布設(shè)石籠提高防沖刷撞擊能力。

5.2.1 旋噴樁

樁徑為 60cm，樁間距 0.4m，樁長10m，水泥采用32.5R及以上礦渣硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，水灰比宜為0.8～1.2，樁體水泥摻入量為170kg/m。

樁體同配比室內(nèi)試塊28d無側(cè)限抗壓強度不低于3MPa。

5.2.2 石籠

石籠采用鉛絲石籠（宜可采用格賓石籠），網(wǎng)格間距10cm。石籠底寬2.0m，頂寬1.0m，分兩級鋪設(shè)，高3.0m，埋深2.5m，頂面高出河床0.5m，具體布置詳見加固設(shè)計圖3所示。

圖3 加固設(shè)計圖

6 加固施工要點及注意事項

6.1 高壓旋噴樁[3]

①施工前應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和地下埋設(shè)物的位置等情況，復(fù)核高壓噴射注漿的設(shè)計孔位。

②高壓噴射注漿的施工參數(shù)應(yīng)根據(jù)土質(zhì)條件、加固要求通過試驗或根據(jù)工程經(jīng)驗確定，并在施工中嚴(yán)格加以控制。高壓水的壓力應(yīng)大于20MPa。

③水泥漿液的水灰比宜為0.8～1.2。

④高壓噴射注漿的施工工序為機具就位、貫入噴射管、噴射注漿、拔管和沖洗等。

⑤噴射孔到達(dá)標(biāo)高時，即可噴射注漿。在噴射注漿參數(shù)達(dá)到規(guī)定值后，隨即分別按旋噴、定噴或擺噴的工藝要求，提升噴射管，由下而上噴射注漿。噴射管分段提升的搭接長度不得小于100mm。

⑥對需要局部擴大加固范圍或提高強度的部位，可采用復(fù)噴措施。

⑦在高壓噴射注漿過程中出現(xiàn)壓力驟然下降、上升或冒漿異常時，應(yīng)查明原因，并及時采取措施。

⑧高壓噴射注漿完畢，應(yīng)迅速拔出噴射管。為防止?jié){液凝固收縮影響樁頂高程，必要時可在原孔位采用冒漿回灌或第二次注漿等措施。

⑨施工中應(yīng)做好泥漿處理，及時將泥漿運出或在現(xiàn)場短期堆放后運出。

6.2 鉛絲石籠

①挖槽時，要隨時注意土質(zhì)情況，必要時配以水泵排水。

②預(yù)制的鉛絲網(wǎng)片要用鋼筋做骨架，嚴(yán)格控制網(wǎng)眼大小。

③塊石裝籠時注意保護(hù)鉛絲籠網(wǎng)片，石塊從下而上由小到大，籠口必須綁扎結(jié)實。

④分層修筑，并在框架結(jié)點處，上下左右用鉛絲連接起來，以增加石籠的整體性。

6.3 安全措施

為保證加固工程的順利實施，需采取以下安全保障措施。

①對橋墩應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測。

②對橋面控制點水平位移與沉降進(jìn)行監(jiān)測，如有異常，立即停止施工，查找原因。

③對旋噴樁施工工序?qū)ｉT研究，制定合理的施工方案，以將旋噴樁施工過程對基樁穩(wěn)定性的影響降到最低。

7 結(jié)論

①邢臺地區(qū)某高速公路跨河橋梁在遭遇百年一遇洪水沖刷之后，造成橋墩基樁外漏，其出露長度最長達(dá)到6.5m，且部分露樁出現(xiàn)鋼筋外露銹蝕。

②現(xiàn)狀局部沖刷線已經(jīng)超過原設(shè)計局部沖刷線，若河床繼續(xù)下切將導(dǎo)致基樁埋置深度不足，造成基樁承載力不滿足要求，從而形成典型的淺基橋墩病害。

③造成河床沖刷下切的兩大原因：一是遭遇特大洪水導(dǎo)致局部沖刷嚴(yán)重；二是采砂活動頻繁，導(dǎo)致上游來砂量不足以彌補本河段泥沙的損失，進(jìn)而使得河床的自然坡度和水流狀態(tài)發(fā)生改變，引起局部流速較大，進(jìn)一步加劇泥沙的損失，即出現(xiàn)所謂的溯源性沖刷，造成了河床下切。為保證該橋的長期穩(wěn)定性，有必要采取措施對其基樁進(jìn)行維修加固。

④經(jīng)過分析計算并通過方案比選，最終確定采用旋噴樁-鉛絲石籠防護(hù)方案作為本工程的加固方案。并對該方案進(jìn)行詳細(xì)的計算設(shè)計，確定了適合該橋梁的加固方案參數(shù)。