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號墩墩高25.72 m，為本橋最大墩高，2號、3號墩采用墩梁固結(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)反對稱斜向裂縫及豎向裂縫;2號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。橋梁檢測結(jié)果，該橋技術(shù)狀況等級評定為五類橋。

根據(jù)檢測報告可知下部結(jié)構(gòu)的病害如下:

墩身開裂:左、右幅2號墩墩頂小樁號側(cè)出現(xiàn)環(huán)向裂縫，長度介于在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號墩墩底大樁號側(cè)出現(xiàn)環(huán)向裂縫，裂縫長度介于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:因無受損前觀測資料，橋墩豎直度按JTG F80/1-2004公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)中8.6.1條的規(guī)定“0.3%H且不大于20 mm”來進(jìn)行對比。左、右幅2號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號墩1號墩柱底部環(huán)向裂縫

圖2 2號墩1號墩柱頂部環(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跇蛄旱牡谝弧⒌诙绲臉蛳录皟蓚?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，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較小，橋墩本身橫橋向剛度相對較大，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較大，墩身縱橋向剛度相對較小，故墩身下部與土壓力作用位置較近處產(chǎn)生較大的向大樁號方向的變形，墩身上部受梁體約束，產(chǎn)生向小樁號方向較小的變形，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被交路，橫向水平力可只考慮風(fēng)荷載作用，經(jīng)計算，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)反對稱的斜向開裂。

4 加固措施

根據(jù)計算結(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，形成群樁基礎(chǔ)并保證荷載向新樁的傳遞;通過對墩身外包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)計規(guī)范》及《公路橋梁加固施工規(guī)范》，對橋梁從恢復(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，對主體結(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+汽車制動力+溫度荷載。

計算結(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(原墩身主筋計算未考慮，作為安全儲備)承載力、最大計算裂縫寬度均滿足規(guī)范要求。計算中考慮了施工期間的各個工況新增荷載對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)及時將承臺埋置在地表以下，保證承臺四周土壓力符合設(shè)計要求。

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)測和定期檢查，若在施工過程中由于擾動導(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)展是一個動態(tài)的過程，若在加固施工過程中發(fā)現(xiàn)新的病害，應(yīng)及時處理。

4)新增樁基開挖施工中，若檢測發(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］.