軟基高填土路基橋臺墩柱傾斜病害及處置方法研究

汪永林，唐忠林，吳星鋅，趙靖杰，宋春霞

(1.云南武易高速公路有限公司,云南 楚雄 675000；2.交通運輸部公路科學研究院,北京 100088)

0 引言

橋梁與道路的連接處，通常需要對路基進行加高加寬，當橋頭路基下存有大厚度的淤泥質土軟基時，由于淤泥質土屬飽和固結軟土，在路基自重荷載作用下，淤泥質軟基易發生側向變形，橋臺樁基及鄰近墩樁基承受由于土體水平側向移動產生的側向力作用，因此橋臺除承受臺后填土直接作用水平力外，還承受塑性流動產生的附加力，如圖1所示。尤其在施工工程中及建成后軟基固結未完成前的時間內，較固結結束后，橋臺樁承受更大的側向土力。過大的側向力將造成橋臺嚴重前傾，支座、伸縮裝置、臺背、樁基乃至梁身產生破壞[1-18]。

圖1 橋臺在橋頭路基填筑情況下橋臺受力分布

1 工程概況

云南某3跨預應力箱梁橋，跨徑組合為(20+30+20)m，上部結構采用預應力鋼筋混凝土等截面連續箱梁，下部結構橋墩采用柱式墩，橋臺采用肋式臺，橋梁全長為77.00 m。橋梁縱斷面位于縱坡0.6%的直線上坡段,如圖2所示。2017年該橋在臺后填土施工完成后發現橋臺前傾，臺帽下方擋墻開裂沉陷,搭板開裂，墩橫系梁表面斜向開裂，最長1.3 m，寬度為0.18 mm，如圖3所示；橋臺和墩柱處支座均存在不同程度側向滑移，滑移量3.8～5.0 cm，如圖4所示。施工單位對臺后填土進行了加固處置，并對支座進行更換處置。2018年對該橋進行進一步檢查，發現橋頭搭板下填土出現明顯下沉，下沉高度為8 cm，1#，2#墩墩頂出現不同程度偏位，右幅2#墩墩頂最大偏位達到4.8 cm。

圖2 橋型布置圖(單位:cm)

圖3 2-1#墩和2-2#墩墩身裂縫

圖4 墩頂變形示意圖

2 變位趨勢分析

為了能夠全面掌握橋梁在臺后填土及軟基作用下橋梁變形情況，對橋墩橋臺水平位移、橋面沉降及土體深層水平位移進行了監測，監測時間為2017年7月—2018年7月，為期1 a。

2.1 墩臺頂水平位移變化趨勢

橋臺測點分別布置在耳墻外側、臺帽前側面左右兩側，橋墩測點分別布置在每個橋墩3 個墩柱的大、小里程側面。水平位移觀測點布置如圖5所示。橋臺和橋墩墩頂縱向橋水平變位最大值為13 mm，水平向最大變位為17.5 mm，總體變化平緩，無明顯突變，表明墩臺的水平位移趨于穩定。圖6為0#臺縱橋向位移-時間變化曲線。

圖5 水平位移觀測點布置

圖6 橋臺縱橋向位移-時間變化曲線

2.2 橋面沉降趨勢分析

橋面沉降測點布置于左右幅，左右護欄內側，全橋共27個測點，測點布置如圖7所示。橋面線性監測點最大位移為4 mm，未有明顯的大變形和突變現象，橋面沉降趨于穩定。圖8為左幅中間護欄側橋面沉降測線位移圖。

圖7 橋面沉降觀測點布置

圖8 橋面沉降測線位移曲線

2.3 土體深層水平位移趨勢分析

深層水平位移測點布置于0#和3#臺附近，如圖9所示。在深層水平位移監測過程中發現，0#臺土深12 m往上的部分順橋向往大樁號方向移動，橫橋向錐坡底往橋梁外側移動，錐坡頂往橋梁內側移動。3#臺填土部分順橋向往小樁號方向移動，橫橋向往橋梁外側移動，說明土體蠕變、固結仍在緩慢進行，圖10為3#臺錐坡頂不同時期測斜曲線。

圖9 深層水平位移測點布置

圖10 土體深層水平位移

3 結構受力分析

3.1 有限元模型

有限元模型計算縱向長度為150 m，臺后路基建?？v向長度為100 m，模型橫向寬度為150 m，建模區域尺寸可避免來自模型邊界的影響。土體采用摩爾庫侖理想彈塑性本構模型，橋梁樁基、承臺、橋臺、墩柱系梁等采用彈性單元模擬，樁基和周圍土層的相互作用通過設置界面單元實現。土層物理力學性質參數見表1。土體和基礎結構均采用10節點四面體單元，本次計算共建立323 947個單元，節點445 772個節點。計算模型如圖11所示。

圖11 填土完成后計算模型

表1 模型材料及單元

土體天然密度、內聚力、內摩擦角參照地質勘查報告確定、泊松比、壓縮模量參考《巖土工程手冊》1995年4月第2版，及《工程巖體分級標準》(GB/T 50218—2014)，如表2所示。

表2 土層物理力學性質參數

3.2 計算工況

工況1：建立初始應力場：本工況通過對場地(不包括路基及橋梁結構)施加自重應力，建立初始應力場，以模擬土體初始狀態。

工況2：建樁基、承臺、橋臺、立柱：本工況在工況1的基礎上建立樁基、承臺、橋臺、立柱、墩頂約束、及上部結構自重，對上述結構施加自重，并計算土體和結構在自重荷載作用下的應力和變形。

工況3：建墩頂約束、及上部結構自重：工況在工況2的基礎上建立墩頂約束、及上部結構自重，對上述結構施加自重，并計算土體和結構在自重荷載作用下的應力和變形。上部結構對下部結構的作用采用墩頂力與墩頂約束的方法進行模擬，墩頂支座用ELASTOPLASTIC彈簧模型進行模擬，彈簧初始剛度取5 000 kN/m，最大截至力為豎向荷載的10%。

工況4：臺后及臺下填土：本工況在工況3的基礎上加臺后及臺前填土，并施加自重應力，計算在自重荷載，及土體和結構在填土自重荷載作用下的應力和變形。

3.3 計算結果分析

3.3.1 位移計算結構分析

由于本橋地面下2～6 m左右深度范圍內存在泥炭質土，根據勘察報告，泥炭質土為可塑，其抗剪強度較低、壓縮性較高、滲透性較小、天然含水較大，臺后填土填筑后，由于填土較高，豎向壓力大，橋臺底面和路基兩側出現明顯擠出效應，對橋臺和橋墩有明顯的外推作用，在臺后深度2.0 m位置土體縱橋側向位移最大，最大值達到0.240 m，如圖12，圖13所示。在泥炭質土橫向擠出效應和臺后填土側向壓力共同作用下，橋臺支座處順橋向位移最大達到3.745 cm，位于左幅3-1#支座處。橋臺橫橋向最大位移為0.454 cm，位于左幅3-1#支座處。左右幅橋墩橫向位移主要是泥炭質土橫向擠出效應的作用結果，橋墩處深度2.1 m處，土體橫向位移為4.2 cm，導致橋墩墩頂出現橫向位移，最大為-1.467 cm，位于左幅2-1#支座處。

圖12 泥炭質土頂面x向移云圖(單位：mm)

圖13 泥炭質土頂面y向移云圖(單位:mm)

在工況4臺前及臺后填土完成后，3#橋臺和2#橋墩均發生偏位，表3、4為橋臺和2#橋墩實測位移與計算值比較，通過比較可知，3#橋左幅計算值與支座滑移量除3-1#支座外較為接近，左幅計算結果與實際變形趨勢基本一致。右幅橋臺支座滑移量實測值較小，3-1#支座計算值與實測值相差較大主要與臺背受力不均及支座安裝誤差有關。2#墩實測縱向變形與計算值基本相符。由計算及實測值可知，在臺后填土作用下，橋臺發生前傾。結構位移計算云圖如圖14，圖15所示。

表3 3#橋臺位移計算結果

表4 2#橋墩位移計算結果

圖14 結構x向位移云圖(單位:mm)

圖15 結構y向位移云圖(單位:mm)

3.3.2 應力計算結果

根據計算結果，填土建立后，3#橋臺發生較大順橋向側移，由于橋臺承臺與樁頂固接，且承臺剛度遠遠大于樁基，在雙排樁情況下，側向力作用下，樁頂處產生較大應力集中。在樁頂下6.4～21 m范圍內樁身填土側存在拉應力，最大值位于樁頂下10.08 m，最大值為10.264 MPa，超過C30混凝土抗拉強度標準值，因此樁身混凝土可能在樁頂附近及樁頂下10.08 m附近處存在開裂。

2#墩樁身在樁頂下8～12 m范圍內填土側存在拉應力，拉應力較小，最大值為 0.909 MPa，最大應力位于左幅2#墩2-1#樁樁頂下10.05 m處。

結構應力計算云圖如圖16,圖17所示，橋臺樁下部樁身最大應力計算結果見表5。橋墩樁身最大應力計算結果見表6。

圖16 下部及基礎第一主應力云圖(單位:×10-3 kN·m-2)

圖17 左幅2#墩第一主應力云圖(單位:kN·m-2)

表5 3#臺樁身應力計算結果

表6 2#墩樁身主應力計算結果

3#臺左右幅橋臺臺身應力較小，2#墩墩柱在柱底部產生較大的拉應力，最大值2.451 MPa。系梁應力較小，最大應力位于2-1#系梁，應力大小為0.850 MPa，應力分布與裂縫分布基本一致。

4 病害分析及加固措施

4.1 病害分析

通過病害調查、監控數據及有限元分析得到以下結論：

(1)通過水平位移監測，沉降觀測，深層水平位移觀測。說明土體蠕變、固結仍在緩慢進行，但病害已經趨于穩定。

(2)由于橋址處存在大厚度的泥炭質土，路橋連接段填土作用下，橋臺受填土側向壓力及路基下層土的擠出作用的附加力，橋臺支座處順橋向位移達到3.745 cm，位于左幅3-1#支座處。橋臺橫橋向最大位移為0.454 cm，位于左幅3-1#支座處。左右幅橋墩橫向位移主要是泥炭質土橫向擠出效應的作用結果，橋墩處深度2.1 m處，土體橫向位移為4.2 cm，導致橋墩墩頂出現橫向位移，最大達到-1.467 cm，位于左幅2-1#支座處。有限元計算結果與實測墩臺位移基本吻合，說明結構模型及參數設置合理。

(3)有限元分析可知，橋臺樁基在樁頂下6.4～21 m范圍內填土側存在拉應力，最大值位于樁頂下10.08 m，最大值為10.264 MPa，因此樁身混凝土可能在樁頂下10.08 m附近處存在開裂。2#墩樁身在樁頂下8～12 m范圍內填土側存在拉應力，拉應力較小，最大值為 0.909 MPa，最大應力位于左幅2#墩2-1#樁樁頂下10.05 m處。因此需要加強對墩臺的變形監控。

(4)2#墩墩柱在柱底部產生較大的拉應力，最大值2.451 MPa。最大應力位于2-1#系梁，應力大小為0.85 MPa，應力分布與裂縫分布基本一致。由此可知，左幅 2-1#墩柱、2-2#墩柱低樁號外側環向裂縫，是由于橋下軟弱地基層在臺后填土作用下發生順橋向變形，2#墩柱頂為固定支座，故而在墩柱向低樁號側產生過大負彎矩，致使墩柱開裂。

4.2 加固處置措施

根據上述病害成因分析，對該橋進行了有針對性的加固，主要措施如下：

(1)橋臺臺帽、橋墩及系梁裂縫進行封閉灌漿處治，后期定期觀測。

(2)錐護坡局部沉陷開裂與坡體填土固結沉降及地基沉降有關，對錐護坡局部沉陷開裂病害進行局部拆除并修復；對所有錐護坡空心磚植被綠化。

(3)臺后填土沉降進行灌注泡沫混凝土處治，橋頭混凝土防撞護欄處波形護欄修復，因路基沉降造成橋頭波形護欄與混凝土防撞護欄連接失效，應對連接部位進行修復處治。

(4)左幅3#臺后搭板(13.25+8)m范圍打孔注漿，將搭板脫空區域注滿為止。在距3#橋3#臺25 m 后路基下沉較為嚴重區域進行注漿，注漿深度6 m，增強填方的整體性。

(5)搭板后接(10+10+8)m 板樁結構，共設置兩排抗滑樁，每排3棵，樁基深度需達到地質持力層，上設混凝土板，8 m 板末端設一道剛性基礎支撐端。

(6)后期在左幅3#臺背處安裝限位裝置。

(7)加強定期監測，監測1 a周期，如果各監測指標穩定無發展，可不做專項監測。

5 結論

近年來，由于軟土地基中路基填筑不合理堆載造成的橋梁墩臺側移事故、病害屢見不鮮，需要引起工程界的足夠重視，并對軟土中路基的設計、施工或填土進行規范化，以避免同類事故的發生，保證橋梁后期運營安全。