土壓力作用下橋墩病害分析及加固措施分析

初 奇 李亞雷

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710068)

1 概述

隨著我國橋梁建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，橋梁的結(jié)構(gòu)形式也日趨豐富，其中預(yù)制小箱梁由于其具有較大的截面抗扭強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度，并且具有造價(jià)低，施工周期短的特點(diǎn)，因此在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于施工不當(dāng)，超載車輛的影響，加之橋址處坡面防護(hù)不到位，導(dǎo)致土地滑移，現(xiàn)有小箱梁也出現(xiàn)了各種典型的病害。

本文以連霍高速某橋梁跨徑組合5×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁雙柱墩的實(shí)際工程為例，針對(duì)上述情況進(jìn)行研究。分析病害產(chǎn)生原因，并根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果制定合理加固方案。

2 加固前橋梁概況

該橋?yàn)檎w式路基，橋面全寬為24.5 m。上部結(jié)構(gòu)形式為5×40 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁。下部結(jié)構(gòu)形式橋墩為雙圓柱式墩，灌注樁基礎(chǔ)，其中2號(hào)墩墩高25.72 m，為本橋最大墩高，2號(hào)、3號(hào)墩采用墩梁固結(jié)，橋梁在橋下土體滑移的作用下，該橋目前存在的主要病害為:左、右幅2號(hào)墩墩身存在“S”形變形，最大縱向變位約23 cm;墩身出現(xiàn)大量環(huán)向裂縫，樁基出現(xiàn)環(huán)向裂縫，系梁出現(xiàn)反對(duì)稱斜向裂縫及豎向裂縫;2號(hào)墩處箱梁橫隔板橫向開裂;部分支座產(chǎn)生輕微剪切變形;右幅橋伸縮縫存在張開或頂死現(xiàn)象。橋梁檢測(cè)結(jié)果，該橋技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定為五類橋。

根據(jù)檢測(cè)報(bào)告可知下部結(jié)構(gòu)的病害如下:

墩身開裂:左、右幅2號(hào)墩墩頂小樁號(hào)側(cè)出現(xiàn)環(huán)向裂縫，長(zhǎng)度介于在2.0 m～3.1 m(半圓周)之間，裂縫寬度介于0.05 mm ～0.2 mm之間;左、右幅2號(hào)墩墩底大樁號(hào)側(cè)出現(xiàn)環(huán)向裂縫，裂縫長(zhǎng)度介于2.4 m～3.1 m(半圓周)之間，裂縫寬度介于0.05 mm～3.0 mm 之間。

橋墩傾斜變位:因無受損前觀測(cè)資料，橋墩豎直度按JTG F80/1-2004公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中8.6.1條的規(guī)定“0.3%H且不大于20 mm”來進(jìn)行對(duì)比。左、右幅2號(hào)墩墩柱柱頂最大縱橋向偏位為23.8 cm，最大橫橋向偏位為10.5 cm(如圖1，圖2所示)。

圖1 2號(hào)墩1號(hào)墩柱底部環(huán)向裂縫

圖2 2號(hào)墩1號(hào)墩柱頂部環(huán)向裂縫

3 下部結(jié)構(gòu)主要病害成因分析

3.1 邊坡土體滑移

本橋橫跨V形溝，橋梁建成后，為恢復(fù)當(dāng)?shù)氐母兀跇蛄旱牡谝?、第二跨的橋下及兩?cè)進(jìn)行了填土，填土最大高度約10 m，縱橋向?qū)挾燃s50 m，橫橋向?qū)挾燃s150 m。受2013年7月22日定西地震的影響，土體發(fā)生松動(dòng)，震后連續(xù)降雨，處于V形溝邊坡上的強(qiáng)風(fēng)化泥巖在雨水的浸潤(rùn)下，發(fā)生軟化，在強(qiáng)風(fēng)化與弱風(fēng)化泥巖交界面或強(qiáng)風(fēng)化與填土交界面均易形成滑動(dòng)面，導(dǎo)致土體向溝底滑移。

3.2 橋梁下部結(jié)構(gòu)變位

在與路線前進(jìn)方向呈30°～40°斜向的滑移體土壓力作用下，墩身橫橋向發(fā)生向路線前進(jìn)方向左側(cè)的變形，由于土壓力的橫橋向分力相對(duì)較小，橋墩本身橫橋向剛度相對(duì)較大，故橫橋向變位亦較小;由于滑移體土壓力的縱橋向分力相對(duì)較大，墩身縱橋向剛度相對(duì)較小，故墩身下部與土壓力作用位置較近處產(chǎn)生較大的向大樁號(hào)方向的變形，墩身上部受梁體約束，產(chǎn)生向小樁號(hào)方向較小的變形，形成橋墩縱橋向“S”形的變形(見圖3)。

圖3 左幅橋2號(hào)墩受滑坡作用后變形示意圖

3.3 墩身、系梁、基樁裂縫

滑移體土壓力作用于軟弱地層上，引起土體側(cè)向位移，對(duì)埋置于土體的系梁和樁基產(chǎn)生水平推力，使樁基出現(xiàn)側(cè)向變形。受損區(qū)域的橋跨不跨越通航水域和等級(jí)被交路，橫向水平力可只考慮風(fēng)荷載作用，經(jīng)計(jì)算，橫向風(fēng)荷載遠(yuǎn)小于縱向水平力，墩身、樁基配筋是以縱向水平力控制。而滑移體土壓力引起的水平力荷載遠(yuǎn)大于原橋設(shè)計(jì)縱向水平荷載，造成樁基、墩柱承載力不足，發(fā)生變位、開裂。

受橫橋向地形、土層分界面走勢(shì)及橫坡影響，兩側(cè)柱高均不相同，在滑移體土壓力的作用下，2號(hào)墩的兩根柱的縱向、橫向偏位數(shù)值均不相同，連接兩柱的系梁受到扭矩作用，呈現(xiàn)反對(duì)稱的斜向開裂。

4 加固措施

根據(jù)計(jì)算結(jié)果及病害的原因分析，制定了以下加固處治措施:

橋墩墩身及基樁開裂影響其剛度和承載能力，墩柱傾斜變位影響下部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，須進(jìn)行必要的加固處理。考慮到基樁和墩柱受損嚴(yán)重，通過增設(shè)樁基及承臺(tái)，形成群樁基礎(chǔ)并保證荷載向新樁的傳遞;通過對(duì)墩身外包30 cm混凝土加厚層及增設(shè)柱中橫系梁的方法提高橋墩整體的剛度和強(qiáng)度及穩(wěn)定性(見圖4)。

依據(jù)已頒布實(shí)施的《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》及《公路橋梁加固施工規(guī)范》，對(duì)橋梁從恢復(fù)橋梁使用功能、提高結(jié)構(gòu)安全性和耐久性等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)主體結(jié)構(gòu)加固及常規(guī)病害的處理方法，均采用目前較為常用的方法，加固用材料及技術(shù)性能指標(biāo)依據(jù)規(guī)范的規(guī)定選用，施工工藝較為成熟，有完善的施工指導(dǎo)原則和施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，在國內(nèi)有大量的成功加固實(shí)例，故采用的加固技術(shù)是可行的。

圖4 左、右幅2號(hào)橋墩加固示意圖（1：120）

5 加固完成后結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

5.1 加固前荷載工況

工況一:恒載+土壓力+汽車荷載。

工況二:恒載+土壓力+汽車荷載+汽車制動(dòng)力。

工況三:恒載+土壓力+汽車荷載+溫度荷載。

工況四:恒載+土壓力+汽車荷載+汽車制動(dòng)力+溫度荷載。

表1 加固前、后橋墩承載力、裂縫寬度一覽表

5.2 加固后荷載工況

工況一:恒載(包括橋墩加固新增恒載)+0.6倍土壓力(因部分土體卸載)+汽車荷載。

工況二:恒載(包括橋墩加固新增恒載)+0.6倍土壓力(因部分土體卸載)+汽車荷載+汽車制動(dòng)力。

工況三:恒載(包括橋墩加固新增恒載)+0.6倍土壓力(因部分土體卸載)+汽車荷載+溫度荷載。

工況四:恒載(包括橋墩加固新增恒載)+0.6倍土壓力(因部分土體卸載)+汽車荷載+汽車制動(dòng)力+溫度荷載。

計(jì)算結(jié)論:

從表1可以看出，加固前橋墩墩柱、樁基承載力、最大計(jì)算裂縫寬度均不滿足規(guī)范要求，加固后橋墩墩身、樁基(原墩身主筋計(jì)算未考慮，作為安全儲(chǔ)備)承載力、最大計(jì)算裂縫寬度均滿足規(guī)范要求。計(jì)算中考慮了施工期間的各個(gè)工況新增荷載對(duì)于老橋樁基及墩身的影響，樁基及墩身承載力均滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語

1)此類由于土體滑移對(duì)結(jié)構(gòu)造成影響，應(yīng)首先考慮清除該工點(diǎn)土體。但如果存在連續(xù)降雨和施工開挖擾動(dòng)等不利因素，邊坡土體存在進(jìn)一步滑移的可能性，存在較大安全隱患，建議在本橋加固處治施工前，盡快對(duì)邊坡進(jìn)行必要的防護(hù)和加固處理，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營安全。橋墩加固完成后，應(yīng)及時(shí)將承臺(tái)埋置在地表以下，保證承臺(tái)四周土壓力符合設(shè)計(jì)要求。

2)在橋梁加固施工過程和施工完成后，應(yīng)加強(qiáng)部分病害較為嚴(yán)重的上、下部主要承重構(gòu)件，如部分開裂較為嚴(yán)重的墩身、箱梁橫隔板等，以及支座狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和定期檢查，若在施工過程中由于擾動(dòng)導(dǎo)致病害較快發(fā)展或修補(bǔ)、加固處理后病害重新出現(xiàn)，須采取進(jìn)一步措施進(jìn)行處理。

3)橋梁病害發(fā)展是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，若在加固施工過程中發(fā)現(xiàn)新的病害，應(yīng)及時(shí)處理。

4)新增樁基開挖施工中，若檢測(cè)發(fā)現(xiàn)老橋樁基開裂較為嚴(yán)重，則應(yīng)優(yōu)先修補(bǔ)老橋樁基裂縫。

［1］范立礎(chǔ).橋梁工程［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［2］JTG B01-2003，公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］JTG/T 50-2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］JTG/T H21-2011，公路橋梁技術(shù)狀況標(biāo)準(zhǔn)［S］.