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(xué)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(jìn)行加高加寬，當(dāng)橋頭路基下存有大厚度的淤泥質(zhì)土軟基時，由于淤泥質(zhì)土屬飽和固結(jié)軟土，在路基自重荷載作用下，淤泥質(zhì)軟基易發(fā)生側(cè)向變形，橋臺樁基及鄰近墩樁基承受由于土體水平側(cè)向移動產(chǎn)生的側(cè)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(chǎn)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(jié)未完成前的時間內(nèi)，較固結(jié)結(jié)束后，橋臺樁承受更大的側(cè)向土力。過大的側(cè)向力將造成橋臺嚴(yán)重前傾，支座、伸縮裝置、臺背、樁基乃至梁身產(chǎn)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(yù)應(yīng)力箱梁橋，跨徑組合為(20+30+20)m，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土等截面連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)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(cè)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(jìn)行了加固處置，并對支座進(jìn)行更換處置。2018年對該橋進(jìn)行進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)橋頭搭板下填土出現(xiàn)明顯下沉，下沉高度為8 cm，1#，2#墩墩頂出現(xiàn)不同程度偏位，右幅2#墩墩頂最大偏位達(dá)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(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)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(cè)、臺帽前側(cè)面左右兩側(cè)，橋墩測點分別布置在每個橋墩3 個墩柱的大、小里程側(cè)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(wěn)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(hù)欄內(nèi)側(cè)，全橋共27個測點，測點布置如圖7所示。橋面線性監(jiān)測點最大位移為4 mm，未有明顯的大變形和突變現(xiàn)象，橋面沉降趨于穩(wěn)定。圖8為左幅中間護(hù)欄側(cè)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(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，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(cè)移動，錐坡頂往橋梁內(nèi)側(cè)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(cè)移動，說明土體蠕變、固結(jié)仍在緩慢進(jìn)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(jié)構(gòu)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?qū)挾葹?50 m，建模區(qū)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(gòu)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(shè)置界面單元實現(xiàn)。土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。土體和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)均采用10節(jié)點四面體單元，本次計算共建立323 947個單元，節(jié)點445 772個節(jié)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(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角參照地質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)，如表2所示。

表2 土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

3.2 計算工況

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

工況2：建樁基、承臺、橋臺、立柱：本工況在工況1的基礎(chǔ)上建立樁基、承臺、橋臺、立柱、墩頂約束、及上部結(jié)構(gòu)自重，對上述結(jié)構(gòu)施加自重，并計算土體和結(jié)構(gòu)在自重荷載作用下的應(yīng)力和變形。

工況3：建墩頂約束、及上部結(jié)構(gòu)自重：工況在工況2的基礎(chǔ)上建立墩頂約束、及上部結(jié)構(gòu)自重，對上述結(jié)構(gòu)施加自重，并計算土體和結(jié)構(gòu)在自重荷載作用下的應(yīng)力和變形。上部結(jié)構(gòu)對下部結(jié)構(gòu)的作用采用墩頂力與墩頂約束的方法進(jìn)行模擬，墩頂支座用ELASTOPLASTIC彈簧模型進(jìn)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(chǔ)上加臺后及臺前填土，并施加自重應(yīng)力，計算在自重荷載，及土體和結(jié)構(gòu)在填土自重荷載作用下的應(yīng)力和變形。

3.3 計算結(jié)果分析

3.3.1 位移計算結(jié)構(gòu)分析

由于本橋地面下2～6 m左右深度范圍內(nèi)存在泥炭質(zhì)土，根據(jù)勘察報告，泥炭質(zhì)土為可塑，其抗剪強(qiáng)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(cè)出現(xiàn)明顯擠出效應(yīng)，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(cè)向位移最大，最大值達(dá)到0.240 m，如圖12，圖13所示。在泥炭質(zhì)土橫向擠出效應(yīng)和臺后填土側(cè)向壓力共同作用下，橋臺支座處順橋向位移最大達(dá)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(zhì)土橫向擠出效應(yīng)的作用結(jié)果，橋墩處深度2.1 m處，土體橫向位移為4.2 cm，導(dǎo)致橋墩墩頂出現(xiàn)橫向位移，最大為-1.467 cm，位于左幅2-1#支座處。

圖12 泥炭質(zhì)土頂面x向移云圖(單位：mm)

圖13 泥炭質(zhì)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(fā)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(jié)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(guān)。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(fā)生前傾。結(jié)構(gòu)位移計算云圖如圖14，圖15所示。

表3 3#橋臺位移計算結(jié)果

表4 2#橋墩位移計算結(jié)果

圖14 結(jié)構(gòu)x向位移云圖(單位:mm)

圖15 結(jié)構(gòu)y向位移云圖(單位:mm)

3.3.2 應(yīng)力計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，填土建立后，3#橋臺發(fā)生較大順橋向側(cè)移，由于橋臺承臺與樁頂固接，且承臺剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樁基，在雙排樁情況下，側(cè)向力作用下，樁頂處產(chǎn)生較大應(yīng)力集中。在樁頂下6.4～21 m范圍內(nèi)樁身填土側(cè)存在拉應(yīng)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)填土側(cè)存在拉應(yīng)力，拉應(yīng)力較小，最大值為 0.909 MPa，最大應(yīng)力位于左幅2#墩2-1#樁樁頂下10.05 m處。

結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算云圖如圖16,圖17所示，橋臺樁下部樁身最大應(yīng)力計算結(jié)果見表5。橋墩樁身最大應(yīng)力計算結(jié)果見表6。

圖16 下部及基礎(chǔ)第一主應(yīng)力云圖(單位:×10-3 kN·m-2)

圖17 左幅2#墩第一主應(yīng)力云圖(單位:kN·m-2)

表5 3#臺樁身應(yīng)力計算結(jié)果

表6 2#墩樁身主應(yīng)力計算結(jié)果

3#臺左右幅橋臺臺身應(yīng)力較小，2#墩墩柱在柱底部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，最大值2.451 MPa。系梁應(yīng)力較小，最大應(yīng)力位于2-1#系梁，應(yīng)力大小為0.850 MPa，應(yīng)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(diào)查、監(jiān)控數(shù)據(jù)及有限元分析得到以下結(jié)論：

(1)通過水平位移監(jiān)測，沉降觀測，深層水平位移觀測。說明土體蠕變、固結(jié)仍在緩慢進(jìn)行，但病害已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

(2)由于橋址處存在大厚度的泥炭質(zhì)土，路橋連接段填土作用下，橋臺受填土側(cè)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(dá)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(zhì)土橫向擠出效應(yīng)的作用結(jié)果，橋墩處深度2.1 m處，土體橫向位移為4.2 cm，導(dǎo)致橋墩墩頂出現(xiàn)橫向位移，最大達(dá)到-1.467 cm，位于左幅2-1#支座處。有限元計算結(jié)果與實測墩臺位移基本吻合，說明結(jié)構(gòu)模型及參數(shù)設(shè)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(nèi)填土側(cè)存在拉應(yīng)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(nèi)填土側(cè)存在拉應(yīng)力，拉應(yīng)力較小，最大值為 0.909 MPa，最大應(yīng)力位于左幅2#墩2-1#樁樁頂下10.05 m處。因此需要加強(qiáng)對墩臺的變形監(jiān)控。

(4)2#墩墩柱在柱底部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，最大值2.451 MPa。最大應(yīng)力位于2-1#系梁，應(yīng)力大小為0.85 MPa，應(yīng)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(cè)環(huán)向裂縫，是由于橋下軟弱地基層在臺后填土作用下發(fā)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(cè)產(chǎn)生過大負(fù)彎矩，致使墩柱開裂。

4.2 加固處置措施

根據(jù)上述病害成因分析，對該橋進(jìn)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(jìn)行封閉灌漿處治，后期定期觀測。

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

(3)臺后填土沉降進(jìn)行灌注泡沫混凝土處治，橋頭混凝土防撞護(hù)欄處波形護(hù)欄修復(fù)，因路基沉降造成橋頭波形護(hù)欄與混凝土防撞護(hù)欄連接失效，應(yīng)對連接部位進(jìn)行修復(fù)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(qū)域注滿為止。在距3#橋3#臺25 m 后路基下沉較為嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行注漿，注漿深度6 m，增強(qiáng)填方的整體性。

(5)搭板后接(10+10+8)m 板樁結(jié)構(gòu)，共設(shè)置兩排抗滑樁，每排3棵，樁基深度需達(dá)到地質(zhì)持力層，上設(shè)混凝土板，8 m 板末端設(shè)一道剛性基礎(chǔ)支撐端。

(6)后期在左幅3#臺背處安裝限位裝置。

(7)加強(qiáng)定期監(jiān)測，監(jiān)測1 a周期，如果各監(jiān)測指標(biāo)穩(wěn)定無發(fā)展，可不做專項監(jiān)測。

5 結(jié)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(cè)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(shè)計、施工或填土進(jìn)行規(guī)范化，以避免同類事故的發(fā)生，保證橋梁后期運營安全。