李 偉

（廣東和立土木工程有限公司 廣州 511402）

0 引言

隨著我國公路建設(shè)規(guī)模的不斷發(fā)展，公路覆蓋面不斷增加，但由于施工條件和地質(zhì)環(huán)境等各種因素的限制，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)天然沖填土及施工中的棄方填土在橋下樁基周圍大面積堆積的情況，特別是在廣東省沿海地區(qū)，橋梁不可避免建于大面積的深層軟基地段，堆土荷載作用下，使得樁基周圍產(chǎn)生水平位移，引起橋梁樁基產(chǎn)生彎曲變形，從而造成上部結(jié)構(gòu)偏移甚至無法正常運(yùn)營，對(duì)公路交通運(yùn)輸及人民生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅［1-6］。

1 橋梁概況及病害

廣東省某高速公路特大橋于2007年建成通車，其中16#～21#橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋跨布置為（20+2×26+2×20）m，橋型布置如圖1 所示，橋下主要為魚塘及地方道路，橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20 級(jí)，掛車-120，下部結(jié)構(gòu)分別采用三柱墩及分離式獨(dú)柱墩接樁基礎(chǔ)，獨(dú)柱墩直徑1.5 m，墩高6.7～7.2 m，承臺(tái)1.5 m厚，樁基礎(chǔ)采用2根1.5 m直徑的單排樁，樁長(zhǎng)51～60 m，均為摩擦樁。支座采用盆式橡膠支座，17#、19#墩頂設(shè)置單向滑動(dòng)支座，18#墩頂為固定支座，16#及21#墩頂各設(shè)置一道D80伸縮縫。

圖1 橋梁布置Fig.1 Bridge Facade （cm）

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及建設(shè)期相關(guān)資料，早在橋下地方路建設(shè)期間，17#與18#墩之間的施工便道存在堆載現(xiàn)象，17#墩位于魚塘內(nèi)，前后存在約1.5 m 的高差，根據(jù)原竣工圖JZK207 號(hào)地質(zhì)鉆孔，（-0.423）～（-37.79）m范圍內(nèi)為淤泥、淤泥質(zhì)土，（-37.79）～（-47.99）m范圍內(nèi)為亞黏土，（-47.99）～（-53.89）m范圍內(nèi)為全風(fēng)化變質(zhì)砂巖，（-53.89）～（-57.59）m范圍內(nèi)為全風(fēng)化花崗巖。

墩柱主要病害根據(jù)相關(guān)檢測(cè)報(bào)告，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定。病害情況如下：

⑴橋墩傾斜及支座滑移

17#橋墩傾斜現(xiàn)象嚴(yán)重，傾斜方向?yàn)榻T方向，其中L17#橋墩立柱相對(duì)傾斜5.5 cm，R17#橋墩立柱相對(duì)傾斜3.2 cm。L17#墩的支座往珠海方向位移，總位移量約25.5 cm（2014年為21 cm），最新位移量為4.5 cm，支座出現(xiàn)一側(cè)翹起（小樁號(hào)側(cè)）、承壓不均現(xiàn)象，聚四氟乙烯滑板滑出，已失去其作用；R17#橋墩的支座往珠海方向大樁號(hào)位移約10 cm，最新位移量3 cm，相對(duì)滑移值如圖2所示。

圖2 橋墩立柱傾斜及支座滑移值示意圖Fig.2 Bridge Pier Column Tilt and Support Slip Value

⑵橋面伸縮縫

橋梁在1#、8#、16#、21#、24#、27#、35#、40#、42#共9個(gè)橋墩處分別設(shè)置一道伸縮縫，本次主要關(guān)注17#墩前后兩聯(lián)橋梁伸縮縫位移情況，根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，17#墩前后兩聯(lián)伸縮縫無明顯位移情況，伸縮縫收縮位移均在正常范圍內(nèi)。

2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算及原因分析

為了分析橋墩產(chǎn)生傾斜的原因，對(duì)原橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，通過位移反推結(jié)構(gòu)受力荷載，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

2.1 驗(yàn)算方法

建立下部結(jié)構(gòu)模型，淤泥底以下用土彈簧模擬樁基礎(chǔ)與土的相互作用，淤泥底以上樁側(cè)加線性變化的荷載模擬水平推力；根據(jù)支座檢測(cè)情況，考慮不同的支座摩擦系數(shù)，在墩頂施加支座摩擦力，摩擦力方向與支座位移相反；通過不斷調(diào)整樁側(cè)施加的線性荷載，使得墩頂位移與檢測(cè)值相符合，并與墩身斜度值比較，此時(shí)的墩及樁的結(jié)構(gòu)內(nèi)力即為設(shè)計(jì)值，按此內(nèi)力進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及裂縫驗(yàn)算。

2.2 驗(yàn)算模型

L17#橋墩墩頂支座滑痕總計(jì)約25.5 cm，竣工圖顯示本處樁基礎(chǔ)為摩擦樁。考慮到支座已偏出上座板，梁底墊石已壓在支座上面，四氟板已經(jīng)損壞，實(shí)際是鋼板與混凝土之間的摩擦，或混凝土與支座橡膠之間的摩擦，或梁底與支座間底盤頂緊；《公路橋梁盆式橡膠支座：JT/T 391—2009》沒有給出上述材料之間的摩擦系數(shù)；而按《公路橋涵通用規(guī)范：JTG D60—2015》，四氟乙烯板與不銹鋼板接觸的摩擦系數(shù)0.06（加硅脂）或0.12（不加硅脂），摩擦系數(shù)參考取中間值（0.06+0.12）/2＝0.09，單柱恒載支座反力6 614 kN，單柱摩擦力0.09×6 614＝595 kN。同時(shí)，假定樁側(cè)存在順橋向推力，結(jié)構(gòu)在共同外力作用下，17#墩支座最大偏位25.5 cm（實(shí)測(cè)最大值），橋墩按傾斜度最大相對(duì)偏位5.5 cm。

2.3 驗(yàn)算結(jié)果

通過有限元計(jì)算，當(dāng)墩頂產(chǎn)生實(shí)際位移量（25.5 cm）情況下，推斷橋墩傾斜時(shí)墩柱及樁基受力情況，并驗(yàn)算其承載能力，計(jì)算模型及結(jié)果如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型及內(nèi)力、位移Fig3 Calculation Model and Internal Force，Displacement

根據(jù)表1 所示的初步計(jì)算結(jié)果，樁基截面彎矩已遠(yuǎn)超過其承載力，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，初步推測(cè)墩柱發(fā)生傾斜的主要原因可能是由于早期施工堆載、墩柱兩側(cè)土體高差，以及地下流塑狀態(tài)的深層淤泥等綜合因素，導(dǎo)致17#墩前后產(chǎn)生不平衡土壓力，隨著時(shí)間的推移，墩柱逐步發(fā)生傾斜。

表1 原橋橋墩傾斜承載能力驗(yàn)算結(jié)果Tab.1 The Original Bridge Pier Capacity Calculation Results

2.4 原因分析

通過以上分析，得出橋墩發(fā)生傾斜的主要原因如下：

⑴根據(jù)原地質(zhì)資料，橋位處區(qū)域存在大范圍深層淤泥、淤泥質(zhì)土，最大厚度約37.0 m，位于樁基中上部，多呈流塑～軟塑樁，屬于不良地質(zhì)條件。

⑵臨近17#墩區(qū)域內(nèi)地貌原狀均為魚塘，由于下穿該橋的地方路建設(shè)期，施工臨時(shí)便道及周邊施工開發(fā)棄土，導(dǎo)致地貌地質(zhì)條件發(fā)生較大變化。

⑶深層淤泥和橋墩兩側(cè)不平衡堆載［7-8］導(dǎo)致橋墩及樁基縱向推移，導(dǎo)致橋墩產(chǎn)生如圖4所示的變形，且墩頂為單向滑動(dòng)支座，隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)致墩柱與支座產(chǎn)生較大的相對(duì)滑移，并逐年發(fā)展。

圖4 橋墩樁基側(cè)土壓力及變形示意圖Fig.4 Lateral Earth Pressure and Deformation of Bridge Pier Pile Foundation

3 加固方案及實(shí)施

3.1 新增樁基及墩柱增大截面加固方案

結(jié)合橋梁病害原因，采取合理的加固手段應(yīng)從確保橋梁結(jié)構(gòu)安全性、加固有效性、便于實(shí)施及經(jīng)濟(jì)性等多方面考慮。從驗(yàn)算分析可知，橋墩發(fā)生較大傾斜情況下，樁基礎(chǔ)及墩柱受力已超過原設(shè)計(jì)承載能力，故綜合考慮采用新增樁基及墩柱增大截面的加固方案。

沿縱橋向前后各增設(shè)一根D160 cm 樁基礎(chǔ)，騎馬式一字承臺(tái)聯(lián)合，共同抵抗縱橋向樁側(cè)水平推力，承臺(tái)尺寸960（順）×250（橫）×250（高）cm；墩柱采用外徑D200 cm 柱外包D150 cm 柱；支座墊石沿珠海方向加寬20 cm，加固方案如圖5所示。

圖5 新增樁基加固一般構(gòu)造Fig.5 Add Pile Foundation Reinforcement Structure （cm）

新樁設(shè)計(jì)樁頂豎向力為4 500 kN，樁基按摩擦樁設(shè)計(jì)，澆筑樁基混凝土前樁基沉渣厚度應(yīng)小于5 cm。

3.2 加固方案驗(yàn)算分析

通過前一階段墩頂位移反推得到的土壓力，重新分配到新舊樁基上，驗(yàn)算加固后橋墩及樁基內(nèi)力，驗(yàn)算模型與結(jié)果如圖6所示。

圖6 加固后橋墩計(jì)算模型及內(nèi)力、位移Fig.6 Calculation Model and Internal Force，Displacement after Reinforcement

加固后驗(yàn)算結(jié)果如表2 所示，采用樁基置換方案后，新增樁基承載能力滿足要求，加固前驗(yàn)算原橋樁基安全富余為-114%，墩頂位移22.6 cm，加固后樁基承載力安全富余13.8%，墩頂水平縱向位移僅6.0 cm，與單排樁相比，群樁的變形要小很多，新增樁基可有效增加橋墩的縱向抗推剛度，加固措施效果顯著。

表2 加固后橋墩承載能力驗(yàn)算結(jié)果Tab.2 Reinforced Bridge Pier Capacity Calculation Results

3.3 樁基反頂壓施工技術(shù)

由于本橋新舊樁基均為摩擦樁，為了加快完成新樁基的沉降，盡快減少新舊樁基的沉降差［9-10］，使新舊樁基共同承擔(dān)橋梁上部荷載，新增樁基施工采用樁基反頂壓工序施工，樁頂反壓系統(tǒng)如圖7所示，可一定程度上改善原橋樁基受力。

圖7 樁頂反頂壓系統(tǒng)構(gòu)造Fig.7 Anti-jacking System of Pile Tip （cm）

用新增承臺(tái)連接新增樁基與原橋樁基，通過新增樁基反壓技術(shù)來消除新增樁基的沉降，達(dá)到新增樁與原橋樁基共同受力的目的，該施工方法具體包括如下步驟：

步驟1：在橋梁的原橋樁基的兩側(cè)，構(gòu)筑新增樁基；

步驟2：構(gòu)筑新增承臺(tái)，用于連接原橋承臺(tái)樁基和新增樁基，新增樁基在樁頭位置暫不澆筑，預(yù)留出反壓槽；

步驟3：通過反力裝置對(duì)新增樁基的樁頂施加反壓，消除新增樁基的沉降，使得新增樁基與原橋樁基共同受力；

步驟4：待新增樁基不再沉降，在反壓槽內(nèi)澆筑混凝土，待齡期到達(dá)后，移除反力裝置，新增樁基施工完成。

4 結(jié)語

從某高速公路橋梁的工程實(shí)例，對(duì)深層軟土地基中橋梁發(fā)生墩柱傾斜病害情況進(jìn)行研究分析，得出以下結(jié)論：

⑴橋墩產(chǎn)生偏位的主要原因?yàn)闃蚨諆蓚?cè)不平衡堆載及深層淤泥質(zhì)土等因素導(dǎo)致；

⑵驗(yàn)算結(jié)果表明，采用新增樁基方案可有效增加橋墩縱向抗推剛度，減小縱向偏移；

⑶通過樁基反頂壓施工技術(shù)，使新舊樁基共同受力，加固措施效果良好，為今后類似橋梁加固提供一定的參考。