軟土地基橋梁病害與加固技術

王錦榮

（安徽省休寧縣縣鄉公路管理所，安徽 休寧 245400）

0 引言

我國在軟土理論研究上已有數十年歷史，對軟土的物理力學性質有了基本了解。對于橋梁工程，更多的是關注于樁基強度是否滿足要求等，而往往忽視臺后填土，特別是臺身較高的橋臺填土對橋臺結構的影響。在實際工程中，與之相關的工程病害時有發生，確實值得深思和探討。本文結合軟土條件下橋梁整體結構受力特點，分析病害的成因，并對加固設計方案進行了介紹，為同類問題的橋梁設計提供參考。

1 工程簡況

皖南山區某橋跨徑組成為：5×16m，上部采用先簡支后連續的先張預應力混凝土空心板，下部采用鋼筋混凝土圓形雙柱墩，兩岸橋臺均為肋板式橋臺，每座橋臺兩片肋，肋厚度80cm，0＃臺臺高為7m（至臺帽頂），5＃臺臺高為8m（至臺帽頂）。

2 主要病害

本橋施工過程中，在橋臺臺背填土時發現臺帽沿道路中心線向左、右兩側分離，左、右幅橋臺肋板出現水平裂紋。經現場檢測情況，該橋存在主要病害如下：

（1）橋梁墩臺支座均發生不同程度的剪切變形，其中以橋臺支座變形最為嚴重，主要表現在支座剪切變形量大，防震錨栓被拔出。支座剪切變形的最大角度超過350，剪切位移量超過2.9cm。

（2）橋墩墩柱側面出現水平裂縫，裂縫大部分都位于地面以上2m范圍內，最長裂至圓柱半個周長，裂縫寬度在0.1mm～0.25mm范圍內，個別達到0.3mm，并且裂縫呈現兩端窄、中間寬的形態。其中1＃～38＃墩裂縫發生在大樁號側半圓柱面，而48＃墩裂縫發生在小樁號側半圓柱面。

（3）橋墩豎直度檢測共發現6根墩柱縱向豎直度超出評定標準允許值，最大豎直度達到0.4%；共4根墩柱橫向豎直度超出評定標準允許值，最大豎直度達到0.4%。一方面，該偏差應為施工誤差產生，另一方面，可以推斷橋墩墩頂發生了縱、橫向變位。1＃、2＃、3＃橋墩橫向變位均表現為方向向左，4＃橋墩則大部分表現為方向向右；1＃、2＃、3＃橋墩墩頂縱橋向變位表現為方向向0＃橋臺，4＃橋墩墩頂表現為方向向5＃橋臺，從變位情況所判定的墩柱受力狀態與結構表現出的病害基本吻合。

（4）橋臺混凝土肋板出現橫向的水平裂縫，尤其以5＃橋臺最為嚴重。裂縫分布及形態主要表現為由每片肋板左、右側面開始延展至肋板臺前立面，并在肋板臺前立面中部會合，裂縫寬度表現出兩側面裂縫起始處寬，至肋板臺前立面會合處最窄的規律。同時，從左幅右側肋和右幅左側肋臺前立面可見裂縫左側寬、右側窄，最大裂縫寬度有5mm，最大裂縫長度貫通整個肋板的橫斷面。

（5）通過橋梁長度以及橋臺縱向、高差及橫向的變位測量結合目前橋梁所發生的病害情況可以推斷，本橋橋臺已經發生變位，主要體現在橋臺的縱向移位、傾斜以及基礎的不均勻下沉。

3 橋臺變位計算

通過橋臺變位計算分析，總結了在橋臺臺后土壓力作用下結構的內力和變形趨勢。材料參數嚴格按原施工圖設計圖紙進行取值。

施工階段簡化為3種工況：

工況一：橋臺施工完畢，未架梁；

工況二：上部架梁，僅考慮上部豎向力；

工況三：上部架梁，考慮上部豎向力和支座摩阻力。

通過計算發現，橋臺在臺后土壓力等外荷載的作用下發生了縱向變形，由于上部主梁通過支座對橋臺有約束作用，導致肋身在臺帽底以下2m處發生了較大彎矩，與肋身出現的最大水平裂縫位置基本一致。

4 病害成因分析

本橋橋址處于軟弱地基，地質條件較差，受軟基蠕變的影響，臺后路基填土豎向力及主動土壓力作用下引起軟基塑形流動及軟基壓密下沉，從而使橋臺向河心方向變位。橋臺通過防震錨栓和支座帶動主梁變位，但橋臺變位大于主梁變位，因而使橋臺支座發生朝河岸方向的剪切變形。主梁通過防震錨栓和支座帶動橋墩變位的同時，橋墩亦受軟基蠕動影響發生變位，造成墩頂支座剪切變形。承臺以下基礎部分在土彈簧作用下形成一定的水平約束，橋臺臺身形成“弓弦狀”受力狀態，加上不均勻沉降因素的影響，臺身肋板混凝土產生開裂。同上述原因，橋梁墩柱墩底一定范圍內，也產生較大的彎矩和應力，造成墩柱混凝土開裂。

5 加固設計方案

目前橋梁所反映的病害已對橋梁的結構安全構成了較大的威脅，影響了后續施工及正常運營使用的要求。因此，應及時對橋梁的病害進行維修處治，消除橋梁的安全隱患。根據結構存在的病害及實際受力狀況，提出以下4種方案供參考。

5.1 方案一：對原橋實施加固處理

（1）針對橋臺肋板出現的開裂情況，采用對該橋臺拆除重建的方案。新建橋臺基礎采用砂性土填高3m，再構筑新橋臺。新建橋臺臺高（臺帽頂至承臺底）較原橋臺臺高由8m降低至5m，同時增加橋臺肋板截面尺寸，采用4根1.2m的樁基礎以承擔樁頂反力。

（2）對橋墩墩柱混凝土裂縫分布的區域、整體進行高壓水槍沖洗至豎向主筋外露，并采用增設鋼筋與原豎向主筋幫焊，幫焊后重新澆注聚合物混凝土進行修復以提高橋墩墩柱承載力。在每座橋墩樁基縱向前后共增加4根樁基礎，新增樁基形成后，利用原樁基樁頭與系梁通過植筋、布置受力鋼筋、澆注混凝土構筑樁基承臺。

（3）對0＃橋臺肋板采用外包混凝土的方法進行處治，處治范圍為每道肋板臺帽底至承臺頂的整個臺身。在每座肋臺基底縱向前、后共增加4根樁基礎，新增樁基形成后，再接長、加寬原樁基承臺。

（4）針對本橋支座剪切變形的病害，采用更換支座的方式進行處治。

（5）針對橋臺周邊的軟基，采用預應力混凝土管樁進行處治。

方案優點：

（1）通過對受損墩臺構件進行重建或加固，提高了橋梁自身的剛度及承載能力，增加了橋梁抵抗因臺后軟土地基造成的不利影響。

（2）針對既有病害進行處治，基本解決了軟土地質情況對基礎產生的不利影響。增設橋、墩臺樁基后，承載力有較大程度提高，增加了安全儲備。

（3）施工周期短，橋梁大部分構件能夠利用，避免浪費，降低造價。

方案缺點：

（1）由于橋臺基礎仍處于軟土地基，外因沒有得到根治，橋梁運營時存在發生病害的潛在風險。

（2）施工工序復雜。

5.2 方案二：延長橋長，降低臺高

由于本橋5＃橋臺處于軟土地基范圍內，病害較為嚴重，擬采用將5＃臺后208m長路基改成橋梁方案，即在原橋的基礎上，增加跨徑13m×16m的裝配式預應力混凝土空心板。

方案優點：

（1）延長橋孔后，橋臺高度降低，臺后土壓力減小且避開了臺后軟土地質的不良影響，徹底根治了5＃橋臺存在的病害。

（2）對原橋加以利用，避免浪費。

方案缺點：

（1）該方案相比方案一造價高，施工周期長。

（2）原橋仍需加固，施工工序復雜。

（3）0＃橋臺填土高度仍然很高，后期運營時仍存在發生病害的潛在風險。

5.3 方案三：調整路線高度，橋梁高度隨之降低

由于原路線線位較高，擬采用對橋址處原路線2km范圍內的設計高程進行調整，按照降低路線設計高度約2.5m的原則重新擬定縱坡，以降低橋梁高度。

方案優點：

（1）降低橋址所在區段的路線設計高度，大大降低了橋臺的高度，且避開了臺后軟土地質的不良影響，徹底根治了橋梁病害。

（2）橋梁病害得到根治，徹底排除了安全隱患。方案缺點：

（1）該方案相比方案一造價高，施工周期最長。

（2）對現有構造物影響最大。

5.4 方案四：墩臺基礎設置支撐梁

在橋墩、臺基礎處采取措施，利用在基礎處產生的阻力來抵消橋臺的水平力。根據此加固設計思路，擬采用對橋、墩臺基礎設置支撐梁，即在墩臺及墩承臺處設置支撐梁，直接抵抗水平推力，同時采取其他適當的施工方法相配合，如重新填筑臺后填土應控制施工速度，采取合理的施工順序等。

方案優點：

（1）防止了橋墩、臺進一步滑動，增強了橋墩、臺的穩定性，有效地抑制了橋臺的前移。

（2）原結構基本得到利用，造價相對較低。

方案缺點：

（1）對于原橋已經出現的墩臺移位情況難以實現有效糾偏。

（2）橋臺基礎仍處于軟土地基，外因沒有得到根治，橋梁運營時存在發生病害的潛在風險。

6 結論與建議

本文從位于軟土地基的某橋梁病害著手，通過病害發展趨勢、結構計算分析總結橋梁結構的病害成因，從外因判斷與臺身較高、臺后土壓力較大以及施工填土速率相關，從內因判斷應為軟土地基下受軟基蠕變影響、橋位處軟基塑性流動及軟基壓密下沉有關。據此病害成因，本文提出4種切實可行的加固設計方案，可供同行參考。

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