軟土地質(zhì)條件下橋梁病害分析和防治

1、軟土地質(zhì)條件下橋梁病害分析和防治 一、前言 （一）軟土因?yàn)槠渫馏w結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，給工程設(shè)計(jì)帶來諸多問題，長期以來始終困擾著人們。隨著工程實(shí)踐中軟土問題的不斷解決，人們的認(rèn)識(shí)也進(jìn)一步深入。從橋梁病害防治的角度分析軟土地區(qū)橋梁設(shè)計(jì)的特別性，將有助于提高軟土地質(zhì)條件下橋梁設(shè)計(jì)的牢靠性和對(duì)該類病害的防治。 （二）軟土地質(zhì)一般是在靜水或緩慢流水環(huán)境中沉積形成的，其強(qiáng)度低、壓縮量大，稍受重力或外力作用便會(huì)產(chǎn)生變形和流淌，具有顯然的觸變性。同時(shí)，軟土地質(zhì)還具有蠕變性，即在恒定的荷載下，變形隨時(shí)光進(jìn)展。一般地說，這種蠕動(dòng)的速度很慢，但其持續(xù)時(shí)光卻相當(dāng)長，且蠕動(dòng)的現(xiàn)象很普遍，它直接影響到結(jié)構(gòu)的使用壽命。 （三）

2、軟土地質(zhì)的這些特性，使得理論上很難精確地模擬其實(shí)際物理特性。同時(shí)，在施工擾動(dòng)、四周環(huán)境的影響下，設(shè)計(jì)與實(shí)施也存在不同程度的偏差，致使結(jié)構(gòu)的受荷狀況與設(shè)計(jì)的假定條件很難全都，這是軟土地質(zhì)條件下橋梁設(shè)計(jì)的復(fù)雜之處。文中將以福建境內(nèi)閩江上的一座橋梁病害為例，在病害緣由分析的基礎(chǔ)上，探討軟土地質(zhì)條件下橋梁設(shè)計(jì)的特別性及治理和預(yù)防病害的相應(yīng)對(duì)策。 二、病害癥狀 （一）建在軟土地基上的橋梁，其病害的癥狀因地質(zhì)條件差異及橋梁結(jié)構(gòu)類型不同而各不相同。但因地基沉降、土體的水平變形引起的結(jié)構(gòu)病害在橋梁病害中占有一定比例，以橋臺(tái)及其附近的橋墩病害居多。 （二）如位于福建閩江上的某國道橋建于1990年，該橋由預(yù)應(yīng)力混

3、凝土三角桁架、繼續(xù)梁及簡支梁組成，橋梁全長1850 m，設(shè)計(jì)荷載為汽-20。橋梁所處的閩江，河床泥沙沖淤特征顯然，多數(shù)河岸沉積較厚的淤泥層，且淤泥埋藏很淺。 （三）2000年對(duì)全橋檢查發(fā)覺，處于深軟基地段的柱式橋臺(tái)臺(tái)前錐坡開裂，臺(tái)側(cè)翼墻損壞，接近橋臺(tái)的1#墩雙柱式墩身自下而上均有環(huán)狀裂縫，裂縫寬度最大達(dá)0.5 mm。2#墩也有裂縫，最大縫寬0.32 mm。墩身有偏移跡象。據(jù)施工資料記載，該橋臺(tái)臺(tái)后填土高為9 m，臺(tái)后設(shè)有拉桿。橋臺(tái)處地質(zhì)狀況為上層近20 m的淤泥層，淤泥層下臥巖層，巖面對(duì)江心傾斜，臺(tái)位及路基均未舉行軟基處理。實(shí)地勘察發(fā)覺，橋頭下游一側(cè)有大量的后期土體堆載，且汽車超載現(xiàn)象嚴(yán)峻。

4、三、病害緣由分析 軟土地質(zhì)條件下的此類橋梁病害從客觀上講與軟土變形有關(guān)。但病害的發(fā)生卻涉及到設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營等方面的人為因素。 1、設(shè)計(jì)影響 （1）因?yàn)檐浲恋刭|(zhì)的特別條件，使得結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計(jì)與實(shí)際狀況存在一定的偏差。就設(shè)計(jì)而言，對(duì)地質(zhì)條件、施工干擾、周邊環(huán)境等因素的影響考慮不周，均有可能導(dǎo)致病害的發(fā)生。 （2）常年以來，橋梁樁基計(jì)算都采用“m”法計(jì)算。而在軟土地基中，水平力作用下的樁體水平變位較大，樁的受力模式與“m”法的計(jì)算模式有較大的差異。 （3）首先，“m”法假設(shè)土體為徹低彈性體，地基反力系數(shù)在地面處為零，地面以下隨深度以m：1的比例變化，土質(zhì)不同只是系數(shù)大小的問題。這些假定與正常固結(jié)粘

5、性土和一般狀況下的砂土地質(zhì)狀況基本符合，但對(duì)于軟土地質(zhì)，其地基土抗力系數(shù)m值的適用范圍卻是有限的。規(guī)范規(guī)定灌注樁的m取值范圍相應(yīng)于單樁在地面處的水平位移為612 mm，而軟土地質(zhì)中的樁基位移量往往超出其限定范圍，尤其是軟土地質(zhì)上的高填土柱式橋臺(tái)，在臺(tái)后填土壓力及動(dòng)載的作用下，其水平變形量往往超出“m”法的限制范圍，土體變形已不屬于彈性變形，“m”法計(jì)算中土的彈性抗力假定是否適用值得疑惑。大量工程實(shí)測(cè)表明，當(dāng)樁基的位移量較大時(shí)，計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)測(cè)值差異較大。 （4）第二，“m”法按ah=4的條件決定有效樁長，即認(rèn)為樁長超過此值，對(duì)于樁頂位移和最大彎矩計(jì)算都不起作用。計(jì)算是在假定樁長的前提下，決定

6、樁基的最大彎矩和彎矩零點(diǎn)，這在一定程度上忽視了樁土及外力間的互相整體作用，任意性較大。實(shí)際上，在軟土地基中，水平力作用下的樁體水平變位較大，就對(duì)樁頂位移和最大彎矩計(jì)算的影響而言，樁長的取值并不僅限于樁土本身的特性，還與其所承受的外力有關(guān)。全面考慮樁土特性及受力條件，通過樁的受力平衡條件來決定計(jì)算樁長，方可使計(jì)算臨近實(shí)際狀況。有關(guān)資料顯示，在軟土地質(zhì)條件下，設(shè)計(jì)中若以ah=4的范圍作為計(jì)算樁長考慮配筋，則往往造成最大彎矩及彎矩零點(diǎn)位置判定的錯(cuò)誤，導(dǎo)致配筋長度的不足及在仍需配筋的范圍不配或少配鋼筋。 （5）除了計(jì)算模式的問題外，軟土地質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)物所形成的附加荷載在設(shè)計(jì)中未考慮周 全，也是導(dǎo)致病害發(fā)生

7、的緣由之一。因?yàn)檐浲恋刭|(zhì)的變形作用，軟土地質(zhì)條件下的構(gòu)造物較非軟土地質(zhì)下的構(gòu)造物承受更多的附加荷載。如橋臺(tái)的臺(tái)后填土，實(shí)際上可視為在土體上的局部后加載，軟土地質(zhì)上的后加載，在導(dǎo)致樁周土下沉產(chǎn)生負(fù)摩阻力的同時(shí)，還可能使土體產(chǎn)生側(cè)向變形，在陡岸上還可能引起地基土的塑性擠出，它將給樁基以附加水平土壓力。高填土深軟基橋臺(tái)，若未在橋臺(tái)附近一定范圍內(nèi)舉行軟基處理，橋臺(tái)及鄰近橋臺(tái)的樁基均可能承受因?yàn)橥馏w變形產(chǎn)生的水平附加力，此水平附加力在設(shè)計(jì)中若未加以考慮，則有可能造成構(gòu)造物基礎(chǔ)的破壞。 （6）從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度上講，橋臺(tái)附近一定范圍內(nèi)的軟土若未加以處理，不平衡荷載作用下的軟土變形，除可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物破壞外，還

8、可能導(dǎo)致諸如臺(tái)后路基塌陷、軟土滑移、蠕變等其他病害的發(fā)生。 2、施工影響 （1）軟土地質(zhì)橋梁施工工藝及挨次安頓，對(duì)樁基的受力影響極大，主要表現(xiàn)在對(duì)樁基承受的附加力和樁基承載力方面。 （2）施工挨次直接影響到樁基承受附加力的大小，主要表現(xiàn)在軟基處理與構(gòu)造物施工的挨次上。在軟基處理的過程中，軟土地質(zhì)的壓縮性使土體產(chǎn)生較大的橫豎向壓縮變形，這一變形對(duì)處于其中的構(gòu)造物形成作使勁。豎向壓縮對(duì)構(gòu)造物產(chǎn)生負(fù)摩阻力，水平向變形對(duì)構(gòu)造物產(chǎn)生水平向推力。軟基處理若在樁基形成后舉行，除可能對(duì)樁基形成負(fù)摩阻力外，還將對(duì)樁基形成水平壓力，當(dāng)此水平力足夠大時(shí)，極可能造成斷樁。實(shí)際工程中，因?yàn)闃?gòu)造物先于軟基處理施工而引起結(jié)

9、構(gòu)破壞的狀況時(shí)有發(fā)生。 （3）施工對(duì)樁基承載力的影響主要是因?yàn)檐浲恋挠|變性形成的，軟土的觸變性使施工擾動(dòng)對(duì)樁基承載力影響加劇。鉆孔灌注樁在成孔的過程中破壞了土體的自然結(jié)構(gòu)，同時(shí)，孔壁土體孔隙水壓力升高，使樁周及樁端強(qiáng)度降低，受施工土體擾動(dòng)的影響，樁基承載力顯然降低，這一點(diǎn)在常規(guī)的樁基設(shè)計(jì)中很難加以考慮。雖然樁基承載力會(huì)隨時(shí)光的增長而增長，但因?yàn)檐浲辆哂杏|變性，結(jié)構(gòu)恢復(fù)及樁周土體孔隙水壓力消散較慢，樁基承載力的提高過程較長，在施工周期較短的工程中，上部及運(yùn)營荷載在短期內(nèi)的增強(qiáng)，對(duì)承載力的提高及利用均不利。 3、后期環(huán)境影響 （1）橋位四周環(huán)境對(duì)軟土地質(zhì)的不良影響也是誘發(fā)橋梁病害發(fā)生的緣由。當(dāng)臺(tái)側(cè)

10、堆載時(shí)，因?yàn)檐浲恋刭|(zhì)強(qiáng)度低，具有壓縮性和蠕動(dòng)性，橋臺(tái)四周的荷載對(duì)下臥軟土及橋位土體 產(chǎn)生壓力，除了可能增強(qiáng)縱橋向的土體變形外，橋臺(tái)兩側(cè)的不平衡或單側(cè)堆載，還將使土體產(chǎn)生橫向變形，對(duì)橋梁樁基產(chǎn)生橫橋向推力，造成樁基偏位。此外，任何超負(fù)荷的加載還可能引發(fā)土體的蠕動(dòng)。文中所列舉橋梁的1#墩，觀測(cè)到有一定量的縱橫橋向位移。經(jīng)分析，該位移與橋頭單側(cè)大量的后期土體堆載有關(guān)，車輛超載也在一定程度上加劇了土體變形的進(jìn)展。 （2）通過上述分析可以看出，軟土地質(zhì)的客觀因素與設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營環(huán)境等人為因素組成了橋梁病害發(fā)生的綜合因素，軟土地基橋梁病害發(fā)生的緣由是多方面因素互相作用的結(jié)果。 四、病害治理方案 （1）軟

11、土地質(zhì)條件下的橋梁病害主要反映在因?yàn)榈刭|(zhì)環(huán)境的不利影響而造成的構(gòu)造物破壞。對(duì)其治理一般可考慮從改善包括地質(zhì)條件、周邊環(huán)境在內(nèi)的構(gòu)造物外部環(huán)境和加強(qiáng)構(gòu)造物抵御外部不利影響的能力上入手。詳細(xì)的治理方案則應(yīng)按照實(shí)際狀況，綜合考慮結(jié)構(gòu)平安、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)影響等多方面因素后決定。 （2）以本文所舉的橋梁病害為例，此類橋梁病害較徹底的解決主意是增強(qiáng)橋孔，使橋臺(tái)遠(yuǎn)離河岸臨空面，削減橋臺(tái)填土高度，對(duì)須要地段舉行軟基處理。然而，上述處理務(wù)必阻斷交通。對(duì)于交通要道上的橋梁來說，阻斷交通的處理方案不論從經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)影響上講均非上策。該橋的治理方案，優(yōu)先考慮以不阻斷交通為前提的設(shè)計(jì)思路。 （3）在該橋治理方案抉擇中

12、，曾考慮采用高壓噴射灌漿技術(shù)，對(duì)臺(tái)前及臺(tái)后軟土實(shí)施壓漿處理，在橋臺(tái)區(qū)域形成剛性較大的固結(jié)體，以抵擋臺(tái)后形成的土壓力，減輕土壓力對(duì)橋臺(tái)及接近橋墩的壓力。然而，考慮到淤泥結(jié)構(gòu)性很強(qiáng)，結(jié)構(gòu)未被破壞時(shí)外觀無流淌現(xiàn)象，但一經(jīng)擾動(dòng)破壞，強(qiáng)度即顯然下降。橋位處為近20 m的淤泥層，且淤泥層下臥巖層，巖面對(duì)江心傾斜，地層傾斜較大。在厚軟土且具有傾斜下臥層的狀況下，壓漿過程中的擾動(dòng)將對(duì)該區(qū)域土層及結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響。同時(shí)，軟土壓漿后土體容重的增強(qiáng)有可能引起未固結(jié)下臥軟土的滑動(dòng)。為了避開上述狀況的發(fā)生，淘汰了此方案。 （4）進(jìn)一步的地質(zhì)勘察表明，橋臺(tái)附近淤泥層物理力學(xué)指標(biāo)較建橋前有所改善，在邊界條件不變的狀況下趨于

13、穩(wěn)定。因此，以結(jié)構(gòu)加固為主，盡量避開土體擾動(dòng)的方案較切合實(shí)際。鑒于橋臺(tái)檢測(cè)困難，在橋臺(tái)受損狀況不明的狀況下，不宜盲目對(duì)橋臺(tái)實(shí)施加固。同時(shí)為避開阻斷交通，確定暫不對(duì)橋臺(tái)構(gòu)造本身舉行處理，而是通過加固1#墩來分擔(dān)橋臺(tái)受力，緩解臺(tái)后壓力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。按1#墩承受自身及橋臺(tái)傳來的水平力考慮，將1#墩單排 樁基加固為群樁基礎(chǔ)，墩身雙柱外包裹混凝土，加大柱徑并連成整體。并在1#墩與橋臺(tái)之間的錐坡上設(shè)置注漿導(dǎo)管，舉行錐坡局部注漿固化處理，以在1#墩與橋臺(tái)之間形成類似支撐梁的受力體，共同承受水平壓力。 （5）該工程病害治理后，經(jīng)過幾年的運(yùn)營，被加固的構(gòu)件至今未發(fā)覺新的病害癥狀。但目前的觀測(cè)發(fā)覺，因?yàn)樵?#墩與

14、3#墩之間新近填筑土體形成了暫時(shí)汽車通道，3#墩也消失了類似2#墩的病害。這進(jìn)一步說明白未作軟基處理的土體在外荷作用下，對(duì)橋梁產(chǎn)生的不利影響。近期也對(duì)3#墩舉行了加固。為了進(jìn)一步把握橋位處的地質(zhì)變化狀況，目前仍在連續(xù)舉行土體變位觀測(cè)。 五、預(yù)防措施探討 從病害緣由分析中可以看出，病害的發(fā)生除了客觀緣由外，人為因素在防止病害發(fā)生中可起主導(dǎo)作用。在對(duì)橋位的軟土分布情況、物理力學(xué)特性以及可能消失的變形狀況有足夠認(rèn)識(shí)的前提下，通過完美的設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)施工、運(yùn)營環(huán)境對(duì)土體作用產(chǎn)生的后果，以及土體變化對(duì)結(jié)構(gòu)物使用壽命的影響，盡早實(shí)行防范措施，可以減小病害發(fā)生的概率。從設(shè)計(jì)、施工以及后期的維護(hù)上講，主要可以考慮

15、以下幾方面向策。 1、橋梁長度確實(shí)定 （1）經(jīng)過軟土區(qū)域的路線，橋梁長度確實(shí)定，在節(jié)約造價(jià)、削減病害發(fā)生的概率上起著重要作用。橋梁長度需按照軟基深度、填土高度等實(shí)際狀況，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后決定。 （2）路線經(jīng)過深軟基地段時(shí)，以橋梁跨越往往具有一定優(yōu)勢(shì)。深軟基地段軟基處理成本較高，且受施工技術(shù)、工期的制約，軟基處理的效果不一定抱負(fù)。而且在深軟基上建橋臺(tái)，要考慮諸多不行預(yù)見因素，尤其是高填土橋臺(tái)，構(gòu)造物的成本較高。早期修建的福建高速大路，一般不由于軟土而增強(qiáng)橋梁長度，橋臺(tái)往往建在深軟基上。設(shè)計(jì)的原意是肦望削減橋長以節(jié)約造價(jià)。而事實(shí)上，不僅軟基處理代價(jià)高，結(jié)構(gòu)物病害時(shí)有發(fā)生，橋頭跳車問題也較突出，未達(dá)

16、到抱負(fù)的效果。 （3）處于軟土地質(zhì)條件下的跨河橋梁，橋臺(tái)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離陡邊坡河岸。雖然這樣會(huì)增強(qiáng)橋長，但可削減因?yàn)榭亢影兑粋?cè)臨空面與臺(tái)后的土壓力差對(duì)樁基產(chǎn)生的不利影響。且相對(duì)于逼近陡邊坡河岸設(shè)置的短橋而言，長橋臺(tái)前有較大的臺(tái)前土體壓力，對(duì)臺(tái)后填土起到了反壓護(hù)道的作用，可避開土體變形對(duì)樁基產(chǎn)生附加力，削減蠕動(dòng)變形發(fā)生的可能性。長橋方案在牢靠度方面優(yōu)于橋臺(tái)近河岸的短橋方案。而從造價(jià)上看，雖然長橋的上部構(gòu)造費(fèi)用 多于短橋方案，但其軟基處理和下部構(gòu)造的費(fèi)用卻有可能少于短橋方案，該兩方案具有比較價(jià)值。 2、相關(guān)構(gòu)造措施 （1）軟基處理時(shí)，從根本上消退軟土對(duì)結(jié)構(gòu)物的不利影響，是避開軟土地質(zhì)條件下橋梁病害發(fā)生的

17、有效措施。對(duì)于可能對(duì)構(gòu)造物產(chǎn)生不利影響的區(qū)域，如橋臺(tái)、陡坡岸上或接近橋臺(tái)的橋附近，均應(yīng)按照軟土的物理力學(xué)指標(biāo)、軟土厚度，舉行相應(yīng)的軟基處理，改善構(gòu)造物的外部環(huán)境，以避開軟土的水平方向變形對(duì)樁基產(chǎn)生附加水平力，并消退蠕動(dòng)隱患。 （2）在橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的抉擇上，宜采用抗水平荷載能力強(qiáng)的橋臺(tái)形式。柱式橋臺(tái)水平抗推剛度較小，在水平力作用下變形較大，在深軟土地質(zhì)條件下不宜采用。即使橋臺(tái)附近的軟土舉行了改善土體特性的軟基處理，因?yàn)檐浕幚砝慰慷纫詼?zhǔn)時(shí)效等方面的緣由，也難以保證樁基不承受土體附加力，柱式橋臺(tái)的使用仍應(yīng)慎重。群樁基礎(chǔ)肋式臺(tái)水平抗推剛度較大，抵擋水平荷載的能力較強(qiáng)，在軟土地質(zhì)上被廣泛采用，效果較好。

18、（3）軟土地基因?yàn)閺?qiáng)度低、易變形，各種不行預(yù)見不利因素對(duì)樁基的影響較突出，樁基的最大彎矩點(diǎn)和彎矩零點(diǎn)也可能因受到各種不行預(yù)見因素的影響而變化。樁基設(shè)計(jì)除了在承載力上留有余地外，樁基受彎剪的范圍也應(yīng)考慮留有更大的余地，一般在軟土層內(nèi)不削減樁基配筋量，更不能在該區(qū)段設(shè)置素混凝土樁。 3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算上的探討 （1）軟土地質(zhì)條件下的橋梁樁基計(jì)算不能容易地采用常規(guī)計(jì)算方法，而應(yīng)按照實(shí)際的受力特點(diǎn)加以分析。 （2）就計(jì)算方法而言，用假設(shè)有效樁長，計(jì)算樁的最大彎矩及彎矩零點(diǎn)舉行配筋的常規(guī)方法，在軟土地質(zhì)條件下應(yīng)慎重采用，以免造成最大彎矩及彎矩零點(diǎn)位置判定的錯(cuò)誤，導(dǎo)致配筋長度的不足。在樁基變形較大的狀況下，計(jì)算應(yīng)同時(shí)考慮樁土特性及受力條件，以整體體系來分析樁的受力模式，以使計(jì)算結(jié)果臨近實(shí)際狀況。同時(shí)，當(dāng)樁基水平變形量超出“m”法的限制范圍時(shí)，地基土抗力系數(shù)m值宜采用實(shí)測(cè)值。