某橋墩偏位分析及處理措施探討

謝均勝

(廣東省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司 廣州市 510507)

目前，我國中小跨徑簡支結構橋梁主要以排架墩為主，排架墩結構輕巧、造價經(jīng)濟、施工簡便，但其水平抗推剛度弱，易在外力作用下發(fā)生偏位，影響結構的正常使用。

影響結構的外力從性質區(qū)分有地震力、土壓力、撞擊力等，其中以土壓力引起的偏位情況最為常見。土壓力產(chǎn)生的主要原因有施工階段施工工序選擇不當，成橋后橋側溝槽開挖、橋下堆載等，以墩頂發(fā)生偏位的某橋梁工程實例為依托，探討橋墩偏位的分析及處理措施。

1 工程概況

某橋梁上跨涌河，橋跨組合為(2×16+22.5+25+22.5+1×20+1×16)m，上部結構采用簡支預應力混凝土空心板，下部結構采用鋼筋混凝土雙柱墩。按汽車—20、掛車—100荷載等級進行設計，其中右幅(舊橋)于1998年建成，左幅(新橋)于2001年建成。

管養(yǎng)部門進行日常巡查時發(fā)現(xiàn)右幅(舊橋)1#墩蓋梁與上部空心板之間發(fā)生相對約15cm的異常位移，如圖1所示。橋下通道局部出現(xiàn)開裂，橋外地面及橋臺護坡出現(xiàn)下沉等問題。

圖1 橋梁墩頂偏位現(xiàn)場照片

1#墩緊挨河堤，外設河堤擋墻，河床臨空面高約6m。橋墩右側約6m處為在建地鐵盾構施工區(qū)間，地鐵區(qū)間與橋頭引道斜交，橋墩發(fā)現(xiàn)偏位前半個月盾構施工經(jīng)過橋位處。第1跨橋底處約有2m高的建筑材料堆載。

2 墩頂偏位成因分析

發(fā)現(xiàn)橋墩偏位后，養(yǎng)護管理部門隨即封閉橋上交通，清理橋下的建筑材料堆載，委托應急檢測單位對橋梁偏位進行細部測量及安全監(jiān)控。

經(jīng)檢測，1#墩偏位沿河道方向，右幅橋外側墩頂偏位166mm，內(nèi)側墩頂偏位69mm。左幅內(nèi)側墩頂偏位58mm，外側墩頂偏位77mm。

墩柱無明顯的裂縫，0#臺護坡整體下沉13cm，第1孔橋下路面出現(xiàn)2條橫向開裂，1條縱向裂縫，1處下沉。截止至7月3日，橋墩偏位已基本穩(wěn)定，最大偏位較原應急檢測無大的變化。

根據(jù)實測水下地形，墩位處河床較原設計階段存在明顯的沖刷下切的情況，墩位處原地面與河床高差約6m，與河床最低位置處高差約11m。

結合橋墩偏位方向、軌道交通盾構施工及橋下堆載的情況，經(jīng)專家研判，橋墩偏位是由于盾構施工超方、地質壓漿及橋下堆載等綜合作用下產(chǎn)生地基滑移引起的。

3 受力分析

為摸清1#墩在發(fā)生墩頂偏位情況下樁基及墩柱的受力狀況，采用有限元軟件Midas Civil建立1#墩的有限元模型，利用墩頂位移反推在恒載及橋下堆載作用下產(chǎn)生墩頂位移的主動土壓力作用深度，進而求出樁基及墩柱的實際受力狀態(tài)。

1#墩有限元模型如圖2所示，單元數(shù)為87個。按實際情況模擬墩柱和樁長，樁周在主動土壓力作用區(qū)域外采用“m”法以土彈簧模擬樁土約束作用，樁底進行豎向約束[1-2]。

圖2 1#墩計算模型

通過試算，舊橋1#墩外側樁基土壓力作用深度為11m，內(nèi)側樁基土壓力作用深度為5m的情況下，墩頂發(fā)生的位移與實際情況較為一致。新橋在內(nèi)側樁基擾動深度為6m，外側樁基發(fā)生7m擾動的情況下，墩頂位移與實測位移較為一致。計算結果如圖3到圖6所示。實測偏位與計算位移對比見表1所示。

圖6 新橋彎矩(單位：kN·m)

表1 實測偏位與計算位移對比

按上述假定計算的位移結果與實際發(fā)生的偏位情況較為一致，可認為墩柱實際所受外力與計算采用土壓力作用力效果基本一致，假定該土壓力即為墩柱發(fā)生位移受到的外力。

根據(jù)樁基配筋情況進行承載能力驗算，計算結果顯示，在上述變形條件下舊橋和新橋最不利樁基產(chǎn)生的內(nèi)力分別為5440kN·m(樁頭以下12m)和2779kN·m(樁頭以下8m)，均超出樁基按竣工圖配筋計算的彈性受力狀態(tài)，樁基已進入塑性[3]。

圖3 舊橋位移 (單位：mm)

圖4 舊橋彎矩 (單位：kN·m)

圖5 新橋位移 (單位：mm)

因新舊橋發(fā)生偏位后樁基內(nèi)力大于其極限承載能力，利用Ucfyber截面非線性分析軟件對樁控制截面進行纖維單元非線性分析，采用材料標準強度得到最大彎矩處塑性鉸截面的極限抗彎承載能力。最不利截面驗算如圖7到圖10所示(新舊橋樁基最大彎矩發(fā)生位置處樁基配筋不同，兩者分開計算)。

圖7 舊橋樁基纖維模型

圖8 舊橋樁基截面彎矩-曲率曲線

圖9 新橋樁基纖維模型

計算結果顯示，舊橋樁基發(fā)生最大彎矩處的等效屈服彎矩為1663kN·m，新橋樁基發(fā)生最大彎矩處的屈服彎矩為2112kN·m，均小于發(fā)生現(xiàn)狀位移的樁基內(nèi)力，說明新舊橋樁基已發(fā)生屈服破壞。

為摸清墩頂在發(fā)生多大位移的情況下樁基可以維持彈性受力狀態(tài)，假定同一墩柱下的兩根樁受到相同的土壓力作用，計算結果見表2所示。

表2 土壓力深度及墩頂位移

根據(jù)計算結果，當土壓力作用深度為6m，墩頂位移為49mm的情況下，樁基即發(fā)生塑性破壞，這個計算結果也從側向證明墩柱樁基已發(fā)送了破壞，不能正常承荷。

4 維修加固方案

(1)橋梁維修加固

上述評估分析顯示新舊橋1#墩樁基已發(fā)生塑性破壞，無法再正常承荷，需對其進行加固。目前對深層受損樁基加固主要有旁側加樁與既有受損樁基共同承荷及對受損樁基拆除重建兩種處理方式。

本橋橋下凈空不足4m，且緊挨地鐵隧道區(qū)間，旁側加樁的處理方案施工條件受限，經(jīng)與各部門協(xié)商討論后最終確定采用拆除重建受損橋跨的處理方案。

該橋為區(qū)域重要過江出行通道，為緩解交通通行壓力，根據(jù)兩幅橋的損傷情況，擬分階段進行拆除重建。第一階段先對損傷較嚴重的右幅橋進行拆除重建，左幅橋臨時加固后保障單幅雙向應急通行，待右幅橋重建完成后轉入第二階段對左幅橋進行拆除重建。

本橋拆除重建的難點在于上部結構的拆除和右幅新建墩臺位置的選擇。右幅橋外側6m處為地鐵盾構區(qū)間，隧道頂覆蓋層較淺，根據(jù)地鐵安評單位的驗算，采用汽車吊在隧道頂站位進行吊裝將影響隧道區(qū)間的安全。利用病害較輕的左幅橋進行吊運不但影響其通行效率，且有加重病害的風險。在綜合各方面影響因素下，最終確定通過設立臨時支墩利用架橋機進行拆除的處理方案。

(2)路基維修加固

鑒于墩柱病害是因路基整體側向滑移引起的，為防止橋墩重建后再次因外力作用引起地基的滑移，設計中采用壓力注漿進行地基加固處理。注漿范圍與地鐵隧道的安全距離按不小于5m凈距控制，豎向距離按注漿底標高與軌道結構頂面不小于1m控制。沿深度方向上,鉆孔要求穿透軟土層進入硬土層中3m左右。充填注漿的水泥漿水灰比取0.45～0.55，劈裂注漿的水灰比取0.6～0.8，最大注漿壓力≤0.8MPa。

(3)施工流程

1#墩臨時支撐搭設→拆除右幅第1～2跨相關橋面系→解除空心板鉸縫連接→對稱吊裝移除第1～2孔空心板→拆除0#橋臺、1#橋墩及2#蓋梁凸起塊→橋下河堤加固處理、重建0#橋臺、1#橋墩、同時對2#墩蓋梁進行改造→新建第1～2孔的空心板架設→臺后回填、搭板、橋面系施工→開放交通轉入第二階段施工，按第一階段順序完成左幅橋的施工。

5 結論

墩柱偏位發(fā)生的原因是多方面的，既有施工階段原因也有運營維護階段的原因。對于施工階段要精心組織施工流程，溝槽開挖、軟基處理、墩側填土等應在樁基施工前。運營維護階段則應加強巡查，嚴禁橋下堆載、橋側開挖溝渠及堆載，復合地基處理要離橋墩不小于5m，對于擠土樁、高壓旋噴樁等處理方式還應在橋墩前后埋設測斜管進行測斜觀察，一旦發(fā)現(xiàn)異常應及時停止作業(yè)并組織專家進行研究處理。