山區(qū)橋梁樁基沖刷及防護設(shè)計分析

湯春林，張　云，魏利軍

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安　710064)

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山區(qū)橋梁樁基沖刷及防護設(shè)計分析

湯春林，張云，魏利軍

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安710064)

摘要：隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，公路路網(wǎng)修建工程不斷往山區(qū)推進(jìn)，橋梁作為跨越障礙物的建筑物，在山區(qū)修建公路的工程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用?？缭缴絽^(qū)河流的橋梁結(jié)構(gòu)，在施工及建成使用中都會遇到水流沖刷的問題。文章結(jié)合具體的工程實例，針對分析水流沖刷對山區(qū)橋梁樁基的損害以及防護措施。

關(guān)鍵詞：山區(qū)橋梁；樁基；沖刷；防護

0引言

通過分析近年來公路建設(shè)的工程實例可知，建成投入使用后的橋梁結(jié)構(gòu)在行車荷載、溫度變化、雨水侵害等作用下逐漸出現(xiàn)各種病害和損害現(xiàn)象，導(dǎo)致橋梁外部結(jié)構(gòu)美觀受到影響，同時還對行車舒適性、安全性構(gòu)成危險[1-2]。其中水流對橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的沖刷破壞是造成橋梁破壞的重要因素。單樁承載力強、無擠土、震動少、對環(huán)境影響小、施工技術(shù)要求低等特點使得樁基礎(chǔ)在橋梁建設(shè)工程中被廣泛使用。在山區(qū)橋梁工程中，樁基礎(chǔ)在水流的沖刷作用下會產(chǎn)生露筋、保護層厚度不足等現(xiàn)象，影響樁承載能力。為確保橋梁承載能力滿足設(shè)計要求，研究分析水流沖刷對山區(qū)橋梁樁基的損害，以及制定防護設(shè)計是橋梁工程的重點工作。

1工程概述

某特大橋長1 296 m，設(shè)置為46跨，主梁結(jié)構(gòu)為先簡支后連續(xù)的預(yù)制混凝土小箱梁，寬34.5 m，下部結(jié)構(gòu)采用直徑1.4 m的柱式墩，肋式橋臺，直徑1.5 m的樁基礎(chǔ)。結(jié)合項目實際地質(zhì)分析，為了保證必要的河道防洪綜合治理并穩(wěn)定河勢，在橋梁所處河道某處建設(shè)大壩進(jìn)行河道疏浚，該橋其中有4個橋墩位于河流下壩蓄水工程河道疏浚范圍內(nèi)。為保證大橋在通行過程中的安全、耐久使用，處在河道疏浚范圍內(nèi)的橋梁樁基進(jìn)行檢測，分析水流對樁基沖刷的影響，結(jié)合檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的防護措施，保證橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命以及行車安全。

2河流沖刷對樁基影響

2.1沖刷病害分類

根據(jù)流水沖刷對橋梁樁基造成的不同種類及不同程度的病害進(jìn)行系統(tǒng)分析，結(jié)果如表1所列。

表1　流水沖刷病害分類表

2.2樁基病害成因分析

(1) 山區(qū)河流流速快，沖刷作用明顯，河床河沙在水流作用下被帶走，加上河流上下游采砂作業(yè)，加速河床下降，樁基頂部出現(xiàn)外露現(xiàn)象[3]。

(2) 在山區(qū)建設(shè)橋梁，澆筑基礎(chǔ)時采用筑島施工法，由于樁頂系梁的施工受到地形、技術(shù)等因素的限制，所以實際施工時將樁頂提高，導(dǎo)致樁基埋深不夠，在流水沖刷下發(fā)生外露。

(3) 河道疏浚導(dǎo)致河流沖刷線下降，變相減小了樁基的有效長度，影響樁的承載能力。疏浚前后樁基沖刷線如圖1所示。

圖1　疏浚前后樁基沖刷線示意圖

2.3病害處理措施

(1) 對于樁身外露表面受到?jīng)_刷并侵入泥沙雜質(zhì)，其防護處理措施為：① 將受侵害的樁身部位進(jìn)行清理沖洗，保證無油污、無灰塵，打磨粗糙表面以利于防護砂漿與樁身粘結(jié)，在抹防護砂漿前保持需進(jìn)行病害處理的樁身處于潮濕狀態(tài)，但不能有積水存在。② 采用425#水泥砂漿作為防護砂漿，在外露的樁基表面抹平，抹平的砂漿厚度不得大于樁基表面厚度2 cm，抹平砂漿適宜高度為樁頂至地面線以下0.5～1 m處。③ 抹平后的砂漿在其硬化后進(jìn)行澆水養(yǎng)護[4]。④ 存在擴大頭的樁基，一般將凸出的部分鑿掉，鑿掉時注意避免損傷鋼筋以及避免鑿除樁徑范圍內(nèi)的混凝土，同時保證突出部分小于10 cm。

(2) 對于樁身混凝土開裂，裂縫較寬且相對密集，或者保護層剝落露筋并鋼筋銹蝕等病害，通常的維護、補強措施為：① 在出現(xiàn)露筋面積較大的樁身處每隔30 cm植入10 mm直徑的錨固鋼筋，并安放20 cm×20 cm的鋼筋網(wǎng)片，植入鋼筋鉆孔深度應(yīng)大于10 cm。選擇粒徑小于10 mm的堅硬碎石作為粗骨料，拌制混凝土澆筑于植筋處，澆灌硬化后澆水養(yǎng)護1～2次。② 在露筋面積相對較小的樁身處，一般選擇高強度無收縮水泥基灌漿料進(jìn)行修補，澆灌硬化后澆水養(yǎng)護1～2次。③ 對于保護層混凝土局部松散、空洞、開裂的情況，選用水泥漿澆筑進(jìn)行維護補強。

(3) 混凝土破損開裂、孔洞，樁基礎(chǔ)截面削弱嚴(yán)重，受力主筋完全外露、銹蝕嚴(yán)重等病害會對結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成威脅，必須加強修補措施以確保橋梁樁基礎(chǔ)的承載能力以及結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性[5-6]。修補措施為：① 鑿掉表面已破損、松散的混凝土，施工過程中注意避免損傷樁基鋼筋，并用鋼絲刷等工具清除已銹蝕的鋼筋銹跡。② 植入HRB335直徑16 mm的錨固鋼筋，植入長度大于10 cm，并預(yù)留12 cm長的外露長度。沒有箍筋的范圍內(nèi)植筋橫向間距取15 cm，有箍筋的范圍內(nèi)植筋橫向間距為30 cm，其縱向間距皆取20 cm。③ 植入的錨固鋼筋采用梅花形布置，植入長度隨修補深度進(jìn)行調(diào)整，樁基露筋部位混凝土應(yīng)全部挖開，植筋時應(yīng)選用性能指標(biāo)為A級的植筋膠。④ 對不平整的樁身進(jìn)行鑿平，并在植入的錨固鋼筋上綁扎補強鋼筋與箍筋，支模板。⑤ 選用粒徑小于15 mm的細(xì)石拌制C30混凝土，在露筋、受損壞的樁身處下沿2 m進(jìn)行澆灌20 cm厚，澆筑上部與樁頂標(biāo)高一致。澆筑后注意進(jìn)行養(yǎng)護。

(4) 具體沖刷侵害后維護措施。為了保證樁基的正常承載能力，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全，對外露的樁基進(jìn)行如下維護：在順流水方向的的樁基面澆筑30 cm后的混凝土平臺，在混凝土平臺與地面之間填充石籠，以隔絕流水對樁基的直接沖刷，在石籠上澆筑30 cm后的混凝土封面，以固定石籠位置，在混凝土封面上迎流水方向澆筑厚100 cm的混凝土基礎(chǔ)，將地基進(jìn)行固化處理，使地基與基礎(chǔ)連接為一體[7]。其構(gòu)造圖如圖2所示。

圖2　樁基沖刷防護措施構(gòu)造圖

3沖刷防護設(shè)計

3.1從設(shè)計方面分析沖刷病害原因

(1) 由于樁基施工是處于地面以下的作業(yè)，在開挖和鋼筋籠安放過程中的不確定性比較大，地質(zhì)條件、施工技術(shù)以及施工現(xiàn)場管理水平皆會對樁基礎(chǔ)施工質(zhì)量產(chǎn)生影響。

(2) 受限于檢測技術(shù)的水平，對現(xiàn)場的檢測情況不全面，導(dǎo)致設(shè)計時對現(xiàn)場地質(zhì)條件考慮不周全造成設(shè)計偏差[8]。

(3) 設(shè)計過程中，計算的沖刷深度與實際流水沖刷深度有誤差，導(dǎo)致設(shè)計決定的樁基礎(chǔ)埋置深度不滿足實際地形要求，流水沖刷后出現(xiàn)樁身外露現(xiàn)象。

(4) 現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范中對橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計細(xì)節(jié)存在缺陷，對于保護層厚度的保證措施沒有明確規(guī)定等細(xì)部結(jié)構(gòu)的規(guī)定不明確使得樁基設(shè)計存在不足之處[9]。

3.2防護設(shè)計保證措施

流水沖刷對樁基的損害，其中很重要的原因是由設(shè)計的缺陷引起的，為了盡可能減少或杜絕流水沖刷對橋梁樁基礎(chǔ)的損害作用，首先應(yīng)從設(shè)計方面著手改進(jìn)。

(1) 在外流的樁基中出現(xiàn)露筋的現(xiàn)象很普遍，在設(shè)計階段鋼筋定位不準(zhǔn)確或定位施工時操作誤差造成定位偏移，都會使鋼筋保護層厚度不足，加速鋼筋外露。設(shè)計改進(jìn)時可采取等距多布置定位塊(應(yīng)多于8塊)進(jìn)行定位，施工時利用混凝土保護層墊塊進(jìn)行鋼筋定位，確保鋼筋定位準(zhǔn)確。

(2) 根據(jù)以往被沖刷案例分析可知，樁基受沖刷侵害的范圍是距樁頂2～5 m處，在設(shè)計時可在此范圍內(nèi)加上維護體系，在樁基施工時加上防護裝置，避免橋梁投入使用后受沖刷侵害后再進(jìn)行維護、補強措施[10]。

一般預(yù)保護裝置多采用鋼護筒的形式隔離水流對樁身的直接沖刷，護筒一半比樁徑大20 cm，厚度8～10 mm為宜。永久性的護筒裝置設(shè)置在樁頂往下60～100 cm，并在沖刷線往下1 m以上的范圍內(nèi)，其結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3　永久性設(shè)計防護措施

4結(jié)束語

山區(qū)橋梁工程越來越普遍，在橋梁的建設(shè)過程中，流水沖刷對橋梁下部結(jié)構(gòu)的損害輕則影響結(jié)構(gòu)的美觀，重則影響結(jié)構(gòu)的承載能力，減少橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命，危及行車安全，對橋梁結(jié)構(gòu)樁基的沖刷防護設(shè)計不容忽視。本文結(jié)合具體的工程實例，簡要分析沖刷對樁基的損害以及損害后的維護措施。探討了一般沖刷的設(shè)計原因，并著手從設(shè)計方面進(jìn)行改進(jìn)，提出了在樁基施工時設(shè)置永久性預(yù)埋防護沖刷裝置的概念，希望能為此后類似工程提供參考的意見。

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收稿日期：2016-04-05

作者簡介：湯春林(1983-)，男，安徽六安人，碩士，中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司工程師．

中圖分類號：U443.15

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0178-03