漿砌片石U形橋臺(tái)病害特征分析及加固技術(shù)要點(diǎn)

摘要 文章以龍巖市新羅區(qū)合溪大橋漿砌片石U形橋臺(tái)側(cè)墻開(kāi)裂處治項(xiàng)目為依托，結(jié)合實(shí)際鉆孔取芯和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪橋臺(tái)尺寸進(jìn)行了建模分析計(jì)算，分析了橋臺(tái)病害成因，根據(jù)病害成因提出多個(gè)處治方案，并經(jīng)比選后確定了一個(gè)安全、施工便捷、經(jīng)濟(jì)的加固方案。同時(shí)，在施工期間總結(jié)了橋臺(tái)框架梁和輕質(zhì)泡沫混凝土的加固技術(shù)要點(diǎn)。結(jié)果表明，該方案工期短，加固效果好，可為后續(xù)漿砌片石U形橋臺(tái)的加固工程提供參考。

關(guān)鍵詞 漿砌片石；U形橋臺(tái)；建模分析；框架對(duì)拉；輕質(zhì)泡沫混凝土

中圖分類(lèi)號(hào) U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）24-0049-03

0 引言

公路橋梁是道路跨越河流、山谷或者道路的重要構(gòu)造物。U形橋臺(tái)因其構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性較好、穩(wěn)定性較高，是眾多重力式橋臺(tái)采用最多的一種。早年受施工材料、設(shè)計(jì)水平和造價(jià)的限制，U形橋臺(tái)多采用漿砌片石材質(zhì)，且橋臺(tái)均比較高大，受限于橋臺(tái)體積大，自重也大，且臺(tái)后回填量也大。當(dāng)砌筑施工不規(guī)范、基礎(chǔ)承載力不足、臺(tái)后回填材料及工藝不規(guī)范時(shí)，極易出現(xiàn)橋臺(tái)臺(tái)身開(kāi)裂、臺(tái)后路面大面積下沉、路面網(wǎng)裂等病害。

目前，針對(duì)U形橋臺(tái)病害分析及加固處治，國(guó)內(nèi)外均開(kāi)展了相關(guān)研究，張杰[1]通過(guò)有限元數(shù)值模擬后分析不同寬度、高度橋臺(tái)的受力模式，總結(jié)了橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的裂損機(jī)理；林燦[2]分析了不同工況下跳車(chē)產(chǎn)生的動(dòng)力荷載對(duì)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響；楊國(guó)宇[3]通過(guò)對(duì)輕質(zhì)泡沫混凝土在橋梁工程中的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析后，總結(jié)出臺(tái)后采用輕質(zhì)泡沫混凝土回填的應(yīng)用意義。該文以龍巖市新羅區(qū)合溪大橋橋臺(tái)加固工程為背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察分析橋臺(tái)病害成因，并在多方案比選結(jié)合有限元軟件計(jì)算后，提出了臺(tái)后換填輕質(zhì)泡沫混凝土、側(cè)墻增設(shè)對(duì)拉精軋螺紋鋼的加固措施，可作為后續(xù)漿砌片石U形橋臺(tái)加固工程的參考。

1 橋梁概況

1.1 橋梁概況

合溪大橋位于福建省龍巖市新羅區(qū)白沙鎮(zhèn)，中心樁號(hào)為K1+046.302，橋梁總長(zhǎng)162.0 m，上部結(jié)構(gòu)采用4×30 m、預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，橋梁總寬10.8 m，行車(chē)道寬9.0 m。上部承重構(gòu)件由5片T梁構(gòu)成，橋臺(tái)類(lèi)型為重力式橋臺(tái)和重力式橋墩，擴(kuò)大基礎(chǔ)。該橋建設(shè)年限久遠(yuǎn)，相關(guān)設(shè)計(jì)及竣工資料丟失。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、取芯及測(cè)繪，可知橋臺(tái)的具體尺寸見(jiàn)圖1所示：

1.2 橋臺(tái)病害情況

針對(duì)橋梁專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)橋臺(tái)存在以下缺陷：

（1）鐵山臺(tái)右側(cè)前墻與側(cè)墻交接處有1條豎向裂縫，長(zhǎng)10 m，寬1 cm；右側(cè)側(cè)墻有20條斜向裂縫，長(zhǎng)0.5

～4 m，寬5 mm；蘇坂臺(tái)右側(cè)側(cè)墻與前墻交接處有1條豎向裂縫，寬8 mm，左右側(cè)墻共有15條斜向裂縫。

（2）橋臺(tái)臺(tái)后路面網(wǎng)裂，下沉。

（3）伸縮縫損壞。

2 橋臺(tái)病害原因分析

U形橋臺(tái)主要由臺(tái)后回填、前墻、側(cè)墻和基礎(chǔ)組成。車(chē)輛荷載通過(guò)臺(tái)帽及臺(tái)后填土壓力的形式作用到橋梁各個(gè)構(gòu)件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)繪的橋梁資料，結(jié)合橋臺(tái)基礎(chǔ)勘察情況，對(duì)橋臺(tái)病害成因分析如下：

（1）該研究描述橋臺(tái)采用漿砌片石，局部基礎(chǔ)為漿砌塊石，坑探顯示存在局部砂漿不飽滿(mǎn)的情況，橋臺(tái)前墻基礎(chǔ)位于中風(fēng)化巖層中，局部側(cè)墻位于碎塊狀巖層中。分析認(rèn)為前墻及側(cè)墻的基礎(chǔ)不均勻，導(dǎo)致局部基礎(chǔ)不均勻沉降使得交接處的應(yīng)力集中過(guò)大而出現(xiàn)豎向裂縫。

（2）針對(duì)臺(tái)后填土取芯顯示，臺(tái)后填土含水率高，且存在大塊石含水回填。橋臺(tái)未設(shè)置泄水孔，臺(tái)后填土水無(wú)法排出，增大臺(tái)后土壓力，臺(tái)后回填不夠密實(shí)導(dǎo)致臺(tái)后路面在車(chē)輛荷載作用下出現(xiàn)不均勻沉降而開(kāi)裂，路面裂縫的出現(xiàn)導(dǎo)致地表水下滲至臺(tái)后，從而進(jìn)一步增大填土含水率及臺(tái)后土壓力，導(dǎo)致側(cè)墻出現(xiàn)較多的斜向及豎向裂縫。

（3）現(xiàn)場(chǎng)查看發(fā)現(xiàn)目前運(yùn)營(yíng)的重型車(chē)輛較多，由于橋梁位置線形較好、車(chē)速較快，車(chē)輛通過(guò)橋臺(tái)時(shí)跳車(chē)較為嚴(yán)重，沖擊荷載也是造成橋臺(tái)開(kāi)裂的主要成因之一。

3 橋臺(tái)加固設(shè)計(jì)及施工

結(jié)合上述成因分析，該研究對(duì)此橋臺(tái)采用臺(tái)后換填、側(cè)墻框架對(duì)拉、臺(tái)后換填及框架對(duì)拉相結(jié)合的加固方案進(jìn)行對(duì)比。

3.1 加固方案比對(duì)

（1）方案一：臺(tái)后換填

將臺(tái)后填土全部換為輕質(zhì)泡沫混凝土，輕質(zhì)泡沫混凝土具有自重輕、透水性好、承載力較常規(guī)填土高。通過(guò)對(duì)臺(tái)后進(jìn)行換填，能夠減輕臺(tái)后自重，減少基礎(chǔ)不均出現(xiàn)的不均勻沉降，增強(qiáng)排水功能，減少地表下滲水對(duì)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響。

（2）方案二：側(cè)墻框架對(duì)拉加固

側(cè)墻增設(shè)框架梁和精軋螺紋鋼對(duì)拉，通過(guò)新增框架梁增大側(cè)墻自身剛度，通過(guò)精軋螺紋鋼對(duì)拉消除側(cè)向土壓力。

（3）方案三：臺(tái)后換填輕質(zhì)泡沫土+側(cè)墻框架對(duì)拉加固

將臺(tái)后局部換填為輕質(zhì)泡沫混凝土，增設(shè)框架梁和精軋螺紋鋼對(duì)拉，通過(guò)減輕臺(tái)后自重，加大排水性能和新增對(duì)拉后，能夠?qū)崿F(xiàn)施工快、加固有效的措施。

如前所述，該研究的橋臺(tái)病害主要是臺(tái)后回填不規(guī)范、基礎(chǔ)地質(zhì)不均勻而導(dǎo)致，從經(jīng)濟(jì)性、施工便捷性和安全性考慮，擬采用方案三即臺(tái)后換填輕質(zhì)泡沫土+側(cè)墻框架對(duì)拉加固的措施。該方案不僅能夠解決臺(tái)后排水不暢及自重大的問(wèn)題，還能利用對(duì)拉加固解決既有開(kāi)裂問(wèn)題，提高了既有橋臺(tái)的整體性，限制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。

3.2 加固方案

該研究針對(duì)臺(tái)后13 m范圍的臺(tái)后局部，將其換填為輕質(zhì)泡沫混凝土，而側(cè)墻則結(jié)合現(xiàn)狀地面線各增設(shè)四對(duì)精軋螺紋鋼對(duì)拉，局部結(jié)合需求增設(shè)框架梁加強(qiáng)側(cè)墻剛度的處治方案。

3.3 加固方案實(shí)施要點(diǎn)

根據(jù)上述方案，此橋加固施工的主要工序如下：（1）封閉交通；（2）拆除橋臺(tái)搭板、伸縮縫；（3）按照設(shè)計(jì)臺(tái)階尺寸挖除局部臺(tái)背的回填材料；（4）布置錨桿框架及錨桿，并增設(shè)排水設(shè)施；（5）分層（單層澆筑厚度宜按0.3～0.8 m控制）分段水平澆筑泡沫輕質(zhì)土直至設(shè)計(jì)高度；（6）養(yǎng)護(hù)泡沫輕質(zhì)土；（7）泡沫輕質(zhì)土質(zhì)量檢驗(yàn)與驗(yàn)收；（8）搭板施工；（9）開(kāi)放交通。

該方案在實(shí)施過(guò)程中的主要要點(diǎn)如下：

（1）在水平鉆孔作業(yè)時(shí)，應(yīng)核查支架的穩(wěn)定性以確保水平鉆孔的穩(wěn)定性，鉆孔過(guò)程應(yīng)根據(jù)掘進(jìn)情況適時(shí)調(diào)整鉆孔位置和方向。

（2）在安裝拉精軋螺紋鋼前，應(yīng)核查鉆孔及套管的長(zhǎng)度及位置，確保鉆孔位置與方案一致后方可進(jìn)行對(duì)拉精軋螺紋鋼的安裝。

（3）對(duì)拉精軋螺紋鋼進(jìn)行張拉前，可以選取20%的設(shè)計(jì)張拉力進(jìn)行試張拉[4]，通過(guò)試?yán)梢允煜埨O(shè)備，使得錨具及精軋螺紋鋼密貼。正式張拉采用五級(jí)施加預(yù)應(yīng)力，每級(jí)張拉力施加后進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間不小于10 min。張拉完成后，采用錨具進(jìn)行鎖定后持續(xù)觀測(cè)48 h，確保精軋螺紋鋼無(wú)明顯的松弛現(xiàn)象，如果存在應(yīng)力損失和對(duì)拉精軋螺紋鋼松弛的問(wèn)題，應(yīng)核查問(wèn)題后進(jìn)行針對(duì)性的處治。

（4）對(duì)拉精軋螺紋鋼完成張拉后，采用純水泥漿進(jìn)行壓漿填充，水泥漿的配合比應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r參照規(guī)范選取。鉆孔的壓漿不宜超過(guò)張拉后24 h。此次注漿拉錨孔應(yīng)采用一側(cè)往另外一側(cè)注漿的方式進(jìn)行，待另外一側(cè)排氣孔中泛漿后及時(shí)停止注漿。經(jīng)過(guò)30 min后可以進(jìn)行二次補(bǔ)漿，如此補(bǔ)漿3～4次[5]。

（5）側(cè)墻植筋應(yīng)核查植入深度，確保注膠飽滿(mǎn)，并做原位拉拔試驗(yàn)。

（6）該工程泡沫混凝土回填空間小，澆筑和開(kāi)挖過(guò)程應(yīng)采用人工開(kāi)挖，防止大型機(jī)械設(shè)備對(duì)既有橋臺(tái)產(chǎn)生破壞。

（7）泡沫混凝土氣泡群應(yīng)采用發(fā)泡設(shè)備預(yù)先制取，而不宜采用攪拌方式進(jìn)行制取。

（8）輕質(zhì)泡沫混凝土澆筑應(yīng)沿道路縱向一側(cè)，通過(guò)分層、分塊的方式向另外一側(cè)澆筑。為確保質(zhì)量，每層澆筑厚度應(yīng)根據(jù)施工時(shí)的天氣溫度進(jìn)行確定，每層厚度宜在0.5～1.0 m。

（9）橋臺(tái)臺(tái)后換填完成后，應(yīng)及時(shí)對(duì)臺(tái)后搭板及路面進(jìn)行澆筑，新澆筑的搭板和路面采用必要的排水及防水措施，減少地表水的下滲。

（10）橋梁加固后應(yīng)定期對(duì)側(cè)墻新增的泄水孔進(jìn)行清理，確保臺(tái)后積水及時(shí)排出[6]。

4 有限元數(shù)值模擬

該研究根據(jù)前面采用的臺(tái)后換填、側(cè)墻增設(shè)對(duì)拉精軋螺紋鋼錨桿的加固方案，通過(guò)有限元計(jì)算軟件Midas/FEA建立的模型如圖2所示：

此次計(jì)算荷載按照公路-II級(jí)選用，換算的均布荷載為35 kN/m2；側(cè)墻增設(shè)對(duì)拉精軋螺紋鋼力為300 kN。根據(jù)實(shí)測(cè)地質(zhì)層及相關(guān)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，選取的各材料參數(shù)見(jiàn)表1所示：

此次計(jì)算參照加固和未加固兩種方式進(jìn)行，通過(guò)分析兩種模型下橋臺(tái)側(cè)墻的位移和應(yīng)力變化情況，從理論層面顯示其加固效果。經(jīng)計(jì)算應(yīng)力及位移，未加固前橋臺(tái)側(cè)墻的最大橫橋向位移為2.3 cm，整個(gè)橋臺(tái)側(cè)墻處于往外變形狀態(tài)，在側(cè)墻頂部及中部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，與橋臺(tái)側(cè)墻出現(xiàn)的斜線裂縫及網(wǎng)裂區(qū)域相近；通過(guò)換填及側(cè)墻框架對(duì)拉處治后，橋臺(tái)側(cè)墻應(yīng)力明顯變小，對(duì)拉作用使得橋臺(tái)側(cè)墻往內(nèi)側(cè)收攏，橫橋向位移為-0.6 cm。結(jié)構(gòu)計(jì)算顯示，橋梁加固后能夠減少側(cè)墻的橫橋向變形，側(cè)墻應(yīng)力減小、剛度增加，達(dá)到方案預(yù)期的加固效果。

5 結(jié)論

U形橋臺(tái)采用局部換填及錨桿對(duì)拉的方案，提高了側(cè)墻的剛度及截面面積，同時(shí)約束了側(cè)墻的進(jìn)一步外傾，換填后的輕質(zhì)泡沫混凝土提高了臺(tái)后換填的排水性能，解決了臺(tái)后填筑不規(guī)范的問(wèn)題。該方案經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，工期短，處治效果好。該項(xiàng)目的處治成功，為后續(xù)漿砌片石高大橋臺(tái)的加固提供了經(jīng)驗(yàn)參考和技術(shù)指導(dǎo)。

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