劉建磊

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081)

橋梁的正常功能取決于上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，下部結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)也會(huì)影響上部結(jié)構(gòu)的安全和正常使用。然而由于自然因素或設(shè)計(jì)、施工不當(dāng)，導(dǎo)致橋梁下部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不符合規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求的各類病害現(xiàn)象，如基礎(chǔ)病害、橋墩病害、橋臺(tái)病害等。其中，基礎(chǔ)的下沉或不均勻沉降會(huì)直接導(dǎo)致橋梁墩臺(tái)的傾斜、扭轉(zhuǎn)或斷裂[1]。文獻(xiàn)[2]針對(duì)某既有線橋梁在上部荷載長(zhǎng)期作用下橋墩產(chǎn)生沉降和傾斜的問(wèn)題，考慮巖溶分布特征和地基承載特性，根據(jù)理論分析和數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了加固設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[3-4]針對(duì)橋墩下沉或不均勻下沉案例，利用有限元建模分析了橋墩病害出現(xiàn)的原因。文獻(xiàn)[5]在總結(jié)國(guó)內(nèi)外偏載作用對(duì)橋梁樁基承載影響的基礎(chǔ)上，研究了堆載作用下既有橋梁群樁基礎(chǔ)承載特性。文獻(xiàn)[6]以隴西及隴東濕陷性黃土區(qū)域公路橋梁為工程背景，研究了基礎(chǔ)沉降對(duì)雙柱式橋墩內(nèi)力的影響。文獻(xiàn)[7]分析了黃土地區(qū)樁基礎(chǔ)不均勻沉降的原因，并對(duì)黃土溝谷地形橋梁樁基的沉降提出了控制措施。

本文以某出現(xiàn)沉降病害的新建公路橋墩基礎(chǔ)為例，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、無(wú)損檢測(cè)評(píng)估與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，分析了病害的成因并進(jìn)行了加固。

1 工程概況

某公路橋全橋共2聯(lián)，第1聯(lián)為4×40 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力T梁，第2聯(lián)為3×40 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力T梁。第2聯(lián)橋墩編號(hào)為5＃墩至8＃墩，采用雙柱墩樁基礎(chǔ)。7＃墩樁基設(shè)計(jì)為摩擦樁，樁徑為2.0 m。7-0＃樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)50 m，7-1＃樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)51 m。樁頂系梁尺寸長(zhǎng)寬高為7.2 m×1.5 m×1.8 m。樁頂墩柱直徑1.8 m，7-0柱高30.761 m，7-1柱高27.143 m。設(shè)計(jì)圖紙地質(zhì)勘查資料揭示，7＃墩地層為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，見(jiàn)圖1。

圖1 7＃墩概況及地質(zhì)狀況

該橋?yàn)樾陆蛄?，通車運(yùn)營(yíng)前對(duì)橋梁外觀進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)7＃墩系梁頂部靠近7-1柱側(cè)存在最大寬度約6 mm的多條貫通橫向裂縫，裂縫沿系梁側(cè)面從頂部向底部斜向延伸，沿系梁高度接近貫通，裂縫形態(tài)呈倒“U”形，病害狀態(tài)較嚴(yán)重，見(jiàn)圖2。

本文以7＃橋墩為研究對(duì)象，采取現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、動(dòng)剛度檢測(cè)、低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)合仿真計(jì)算的方法對(duì)基礎(chǔ)病害進(jìn)行了評(píng)估分析。后期對(duì)墩柱帽梁病害的調(diào)查結(jié)果驗(yàn)證了分析結(jié)論，為后續(xù)橋墩基礎(chǔ)加固處理提供了技術(shù)支持。評(píng)估方法也對(duì)同類型橋墩基礎(chǔ)的檢測(cè)評(píng)估提供借鑒。

圖2 系梁頂面裂縫狀態(tài)

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

2.1 系梁部位病害調(diào)查

在已發(fā)現(xiàn)病害的基礎(chǔ)上，為詳細(xì)了解系梁部位病害的狀態(tài)，繼續(xù)清理系梁底面及側(cè)面的填土。發(fā)現(xiàn)系梁在靠近7-0柱側(cè)位置底面存在最大寬度約2 mm的橫向貫通裂縫，裂縫從系梁底面向系梁頂面延伸，同時(shí)7-0＃樁在靠近系梁底面位置內(nèi)側(cè)存在6條環(huán)向裂縫，最大寬度0.3 mm。裂縫分布見(jiàn)圖3。

圖3 7＃墩系梁裂縫平面展開(kāi)圖

根據(jù)裂縫現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，裂縫狀態(tài)為:①7-1＃樁側(cè)上寬下窄，從頂面向底面斜向擴(kuò)展，7-0＃樁側(cè)下寬上窄，裂縫從底面向頂面斜向擴(kuò)展；②裂縫在系梁側(cè)面近似對(duì)稱分布；③7-1＃樁側(cè)裂縫相對(duì)嚴(yán)重。根據(jù)裂縫形態(tài)，初步判斷系梁病害應(yīng)屬于兩基樁差異沉降引起，且7-0＃樁沉降較大。由于發(fā)現(xiàn)病害時(shí)，橋面尚未通車，基樁產(chǎn)生明顯沉降導(dǎo)致系梁嚴(yán)重開(kāi)裂，應(yīng)屬于基樁承載力不足引起的問(wèn)題。因此，需要對(duì)基樁的承載力相對(duì)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。由于橋梁整體已竣工，且現(xiàn)有狀態(tài)采用靜壓的方式確定基樁的承載力可能會(huì)導(dǎo)致重大事故，因此，參照既有研究資料[8-9]，決定采用測(cè)試基樁動(dòng)剛度來(lái)推算承載力的方法評(píng)估基樁相對(duì)承載力狀況。

2.2 基樁動(dòng)剛度測(cè)試及承載力分析

機(jī)械阻抗法測(cè)試中，動(dòng)剛度函數(shù)Kd(f)定義為

式中:F(f)為激振頻譜；v(f)為拾振點(diǎn)速度響應(yīng)頻譜；f為頻率；v(f)/F(f)表示速度導(dǎo)納。

當(dāng)作用在結(jié)構(gòu)上的動(dòng)荷載頻率f→0時(shí)，動(dòng)剛度值趨于靜剛度，即Kd→Ks。激振時(shí)由于動(dòng)荷載頻率永遠(yuǎn)大于0，因此動(dòng)剛度也總是大于靜剛度。通常，小于30 Hz的低頻段動(dòng)剛度值相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)低頻段速度導(dǎo)納曲線為一斜率恒定的直線[10]。

推算樁承載力Q的推算公式為

式中:Sa取值4 mm；η為動(dòng)靜對(duì)比系數(shù)，取1.5。

動(dòng)剛度測(cè)試時(shí)沖擊樁頂側(cè)面位置，在樁頂布置振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量裝置。實(shí)測(cè)7-0＃樁及7-1＃樁動(dòng)剛度值，推算承載力與設(shè)計(jì)荷載對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1。

表1 基樁承載力評(píng)估

根據(jù)推算結(jié)果，7-0＃樁承載力相對(duì)7-1＃樁低約23%；7-0＃樁承載力小于設(shè)計(jì)荷載，7-1＃樁承載力滿足設(shè)計(jì)荷載的要求。7-0＃樁承載力明顯不足，容易造成其在恒載作用下出現(xiàn)明顯沉降。為檢驗(yàn)基樁沉降情況，在系梁頂布置水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)，如圖4所示，對(duì)7-0?；鶚杜c7-1?；鶚断鄬?duì)高程進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果以4＃點(diǎn)為0，則各測(cè)點(diǎn)相對(duì)標(biāo)高為 1＃點(diǎn)-8.734 cm，2＃點(diǎn)-8.522 cm，3＃點(diǎn)-0.010 cm，5＃點(diǎn)-4.562 cm。

圖4 系梁高程測(cè)點(diǎn)示意

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果:7-0＃樁(左側(cè))相對(duì)7-1＃樁頂面高程低約8.63 cm。而施工記錄顯示系梁施工完成時(shí)上述7-0＃樁(左側(cè))相對(duì)7-1＃樁頂面高程低2.4 cm，據(jù)此推算7-0＃樁在系梁施工完成后的其他施工階段共相對(duì)7-1＃樁沉降6.23 cm。測(cè)試結(jié)果間接證明了7-0＃樁承載力上的不足。

2.3 基樁低應(yīng)變測(cè)試

采用低應(yīng)變法對(duì)基樁完整性進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)測(cè)圖形見(jiàn)圖5。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，7-0＃樁在樁身6.5 m和14 m附近存在明顯缺陷，7-1＃樁基本完整。樁身缺陷可能是樁身施工時(shí)產(chǎn)生，也有可能是后期沉降過(guò)大所引起。

圖5 低應(yīng)變法測(cè)波形

3 仿真分析及加固建議

3.1 仿真分析

根據(jù)7＃橋墩設(shè)計(jì)資料結(jié)合地質(zhì)資料，對(duì)7＃墩7-0＃樁沉降產(chǎn)生的影響建立有限元模型。帽梁、墩梁、系梁均采用梁?jiǎn)卧M，樁土相互作用根據(jù) JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》按 m法考慮[11]。

計(jì)算時(shí)，對(duì)7-0＃樁施加6.2 cm強(qiáng)制位移，來(lái)分析基礎(chǔ)沉降產(chǎn)生的影響。計(jì)算結(jié)果顯示，系梁以上部分墩柱、系梁應(yīng)力水平較低，其拉應(yīng)力在0.5 MPa以下；系梁靠近7-1＃樁頂部位置拉應(yīng)力約5.5 MPa，系梁靠近7-0＃樁側(cè)底部位置拉應(yīng)力及7-0＃樁頂部位置拉應(yīng)力水平也超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度。系梁及樁頂病害表現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果一致。另外，計(jì)算結(jié)果表明，墩頂帽梁會(huì)產(chǎn)生22 cm的橫向位移，造成墩柱傾斜，鑒于此，對(duì)墩柱帽梁的橫向偏位情況進(jìn)行了檢測(cè)。

3.2 驗(yàn)證調(diào)查

為驗(yàn)證仿真分析結(jié)果，對(duì)墩柱進(jìn)行垂直度測(cè)試，同時(shí)對(duì)橋梁梁體、支座、墩柱進(jìn)行了外觀檢查。檢查結(jié)果顯示:帽梁、墩柱、梁體未見(jiàn)開(kāi)裂；支座未見(jiàn)脫空。

垂直度測(cè)試結(jié)果顯示，橋墩頂縱向未見(jiàn)明顯偏位，墩頂相對(duì)墩底橫向偏位23.7 cm，這與計(jì)算結(jié)果基本一致。從梁體、支座狀態(tài)判斷，基礎(chǔ)沉降應(yīng)在梁體架設(shè)完成后澆筑整體化層、橫隔板前已出現(xiàn)?；A(chǔ)存在明顯承載力不足現(xiàn)象。

3.3 加固建議

根據(jù)7＃墩實(shí)際情況，需要對(duì)橋墩基礎(chǔ)作加固處理，建議的處理方案框架為:在原基礎(chǔ)周圍增加4根50 m長(zhǎng)基樁，原樁做儲(chǔ)備；系梁位置頂部增設(shè)大承臺(tái)；墩柱加大截面，消除墩柱傾斜度不滿足要求的影響。圖6為根據(jù)筆者建議進(jìn)行加固，系梁改為大承臺(tái)后的狀況。

圖6 加固現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)

4 結(jié)語(yǔ)

橋墩基礎(chǔ)承載能力很難準(zhǔn)確計(jì)算，特別在地質(zhì)多變地區(qū)，基礎(chǔ)承載力可能與理論計(jì)算值存在較大差別。在靜載試驗(yàn)數(shù)量受限的情況下，可通過(guò)動(dòng)剛度方法對(duì)特殊情況下基礎(chǔ)進(jìn)行承載力評(píng)估。實(shí)踐證明該方法具有較高的可靠度。對(duì)于出現(xiàn)沉降病害的基礎(chǔ)甚至狀態(tài)不明、資料不詳?shù)睦吓f橋梁基礎(chǔ)，本文所采用的動(dòng)剛度法判斷承載力狀態(tài)、低應(yīng)變法判斷樁身完整性并結(jié)合仿真計(jì)算分析的綜合方法具有一定的借鑒意義。