陳德春

(安徽省合肥市公路局長(zhǎng)豐分局,安徽長(zhǎng)豐231100)

·橋梁工程·

軟基橋梁墩臺(tái)病害分析及對(duì)策

陳德春

(安徽省合肥市公路局長(zhǎng)豐分局,安徽長(zhǎng)豐231100)

在軟土地基上如何實(shí)現(xiàn)橋梁墩臺(tái)設(shè)計(jì)與橋位地基綜合治理的有機(jī)結(jié)合,提高橋梁不同階段的安全性、經(jīng)濟(jì)性,是廣大工程設(shè)計(jì)和施工人員應(yīng)普遍重視的問題。在此論述了軟土地基區(qū)域橋梁病害類型,分析產(chǎn)生病害的原因,針對(duì)設(shè)計(jì)、施工過程提出相應(yīng)的處理措施,供同行參考。

橋梁工程;軟土地基;橋臺(tái)沉降

0 引言

軟土地基廣泛分布在我國(guó)沿海地區(qū)以及內(nèi)陸平原或山區(qū)的河谷灘地[1]。在軟土地基區(qū)域的高速公路修建、運(yùn)營(yíng)過程中,時(shí)常發(fā)生橋梁墩臺(tái)沉降或側(cè)移等工程病害,雖然這些工程問題得到了妥善的處理,但是造成了工程費(fèi)用的增加,也影響了橋梁的耐久性。

1 橋梁病害產(chǎn)生及形成的原因

1.1 橋梁墩臺(tái)的沉降

對(duì)于軟土地基上采用樁基礎(chǔ)的橋臺(tái),由于橋臺(tái)背填土,使得地基軟土層發(fā)生較大的壓縮沉降,土體對(duì)樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力,若樁尖未找到較好的持力層,橋臺(tái)也會(huì)發(fā)生沉降。由于地基承載力不足及下臥軟土層的高壓縮性,橋臺(tái)采用重力式擴(kuò)大基礎(chǔ),極易造成橋臺(tái)的整體沉降。橋梁墩臺(tái)的不均勻沉降,會(huì)引起上部結(jié)構(gòu)的開裂和破壞,影響結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性。

1.2 橋臺(tái)向橋跨方向傾斜和滑移

橋臺(tái)臺(tái)后填土?xí)a(chǎn)生較大的主動(dòng)土壓力作用于臺(tái)身,橋臺(tái)除自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生平衡抗力外,軟土地基不能為其提供有效的側(cè)向平衡力,橋臺(tái)變形隨之產(chǎn)生。隨著時(shí)間的推移逐漸發(fā)展,最終會(huì)導(dǎo)致地基失穩(wěn),使橋臺(tái)發(fā)生傾斜和滑移。此類病害引起橋梁伸縮裝置破壞,使伸縮機(jī)能部分或完全喪失,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生梁與背墻互相擠壓,導(dǎo)致背墻或梁端破壞、剝落;這種病害也時(shí)常發(fā)生在臺(tái)背填土施工過程中,使橋臺(tái)傾斜或滑移,導(dǎo)致橋臺(tái)破壞以及上部構(gòu)造安裝不能就位。

1.3 橋臺(tái)基礎(chǔ)不均勻沉降

地基軟土層分布及各層物理特性存在差異。修建在軟土層上的橋臺(tái)基礎(chǔ),由于受到地基壓實(shí)下沉和地下水位升降的影響,會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降。橋臺(tái)基礎(chǔ)不均勻沉降會(huì)引起臺(tái)身的傾斜、背墻的剪裂縫、承臺(tái)或基礎(chǔ)的自下向上的豎向裂縫,影響橋梁的正常受力狀態(tài)和正常使用。

1.4 橋臺(tái)與臺(tái)后路堤的沉降差

軟土路段的橋梁一般采用樁基礎(chǔ),以不變形的剛性地層或承載力高而變形量小的相對(duì)硬層作為樁尖持力層。由于橋臺(tái)本身沉降不大,橋頭路堤直接落于軟土層之上,兩者之間存在一定的沉降差,加之臺(tái)后填土自身產(chǎn)生的壓密沉降,易引起橋頭跳車,影響行車的安全性和舒適性。

2 設(shè)計(jì)方法及對(duì)策

橋位工程地質(zhì)資料是橋梁設(shè)計(jì)的主要依據(jù),軟土層工程力學(xué)參數(shù),大部分取自于鉆探取樣原狀土室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,在實(shí)際操作過程中,難免對(duì)靈敏度高的軟土原狀結(jié)構(gòu)有擾動(dòng),影響試驗(yàn)結(jié)果。因此,軟土地基工程地質(zhì)勘察,應(yīng)采取綜合勘探手段,通過原位測(cè)試結(jié)合原狀土室內(nèi)試驗(yàn),綜合確定軟土層的物理力學(xué)參數(shù),才能比較準(zhǔn)確地反映土的自然屬性及工程屬性,為橋梁橋型、墩臺(tái)型式、臺(tái)后填土高度及橋臺(tái)前后地基處理,提供可靠的工程地質(zhì)依據(jù),從而確定切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案。

2.1 橋位地基處理

常用的橋位軟土地基處理有以下幾種方法:

(1)橋頭地基軟土比較薄的路段采用換填法,即可取得比較好的處理效果,將軟土的一部分或全部挖去,換填以砂礫、卵石、片石等滲水性或強(qiáng)度較高的粘土,提高地基強(qiáng)度,增加抗滑阻力,減小沉降量。

(2)軟土層較厚路段可采取排水固結(jié)法。即在軟土地基地面鋪設(shè)0.6～1.0m厚砂礫墊層后,按適當(dāng)?shù)拈g距在地基內(nèi)設(shè)置垂直的袋裝砂井或塑料排水板,構(gòu)成立體的排水系統(tǒng)。在路堤荷載的作用下,通過排水系統(tǒng)加速地基中土粒骨架間排水作用引起固結(jié)沉降,從而提高地基強(qiáng)度,并能有效控制地基剪切變形。但要取得預(yù)期的處理效果,需要有充分的排水固結(jié)時(shí)間。若工期受到限制,可采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓,加速土層中孔隙水的排出,縮短固結(jié)時(shí)間,要求真空預(yù)壓封膜下的真空度不宜小于70kPa[2]。

(3)深層攪拌樁加固法。將水泥以水漿或粉末狀態(tài)往地基噴射灌注并強(qiáng)制攪勻,使軟土硬結(jié)成具有整體化、有足夠強(qiáng)度的水泥加固土,從而提高地基強(qiáng)度和增大變形模量,同時(shí)該方法能有效地減小沉降量,如果能達(dá)到一定的加固深度,工后沉降可以控制在滿足設(shè)計(jì)要求的范圍之內(nèi)。

2.2 臺(tái)后填料處理

通過臺(tái)后填土高度、臺(tái)后填料及臺(tái)后構(gòu)造處理等,達(dá)到減少臺(tái)后土壓力,減小垂直作用荷載,減少由于填土對(duì)軟土層產(chǎn)生流變的壓力差的效果。具體有以下幾種措施:

(1)降低填土高度?！皹O限填土高度”是天然軟土地基允許填土高度的臨界值,當(dāng)填土高度大于此值,地基將發(fā)生破壞[2]。軟土地區(qū)橋臺(tái)填土高度應(yīng)以小于“極限填土高度”為原則。臺(tái)后填土高度越低,橋臺(tái)前移的可能性就越小。

(2)臺(tái)后填土采用輕骨料。臺(tái)后填土采用透水性能好的輕質(zhì)骨料,或強(qiáng)度高、變形小、老化慢的土工合成材料,減輕臺(tái)后土壓力,達(dá)到防止橋臺(tái)前移的目的。

(3)臺(tái)后填土分離。臺(tái)后設(shè)置錨定板擋土結(jié)構(gòu),將填土與臺(tái)身分離,臺(tái)身主要承受上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的豎向力和水平力,錨定板擋土結(jié)構(gòu)承受填土的主動(dòng)土壓力。

(4)埋設(shè)涵管。在臺(tái)后埋設(shè)涵管或箱涵,通過這種方法減輕土重,同時(shí)涵管的設(shè)置可以破壞滑動(dòng)面,從而使臺(tái)后土體的滑動(dòng)不能正常進(jìn)行,從而改善橋臺(tái)的受力狀況。

(5)反壓護(hù)道法。在路堤兩側(cè)和橋臺(tái)錐坡錐體前同時(shí)填筑一定寬度和高度的護(hù)道或放緩邊坡,使軟基向兩側(cè)隆起的趨勢(shì)得到平衡,以增加抗滑動(dòng)力矩,阻止路堤和錐體滑動(dòng)破壞,減少對(duì)橋臺(tái)的水平力。反壓護(hù)道的高度,一般為路基高度的1/2～1/3,反壓護(hù)道由于占地較大,一般僅在高填土路段的橋頭局部使用。

2.3 橋梁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)處理

為防止橋臺(tái)出現(xiàn)病害,除了考慮軟土地基處理和臺(tái)后填土處理外,橋梁結(jié)構(gòu)的選擇也是不可忽視的因素。

(1)橋孔布置時(shí),墩臺(tái)布置位置應(yīng)盡量避開可能產(chǎn)生滑坡的地段,適當(dāng)增加橋跨、延長(zhǎng)橋長(zhǎng),使橋臺(tái)臺(tái)前坡腳離河岸留有一定距離,減小填土的相對(duì)高差,能有效防止墩臺(tái)向河心滑移,以保證墩臺(tái)的穩(wěn)定。

(2)上部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量采用自身重量輕且能適應(yīng)軟土地基的橋梁結(jié)構(gòu)形式,當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生輕微不均勻沉降時(shí),橋梁上部構(gòu)造仍能正常工作或不發(fā)生破壞,首選簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)橋梁。

(3)當(dāng)軟土層較厚時(shí),盡量采用整體穩(wěn)定性好的橋臺(tái)形式,如雙排樁基礎(chǔ)、雙肋式橋臺(tái),橋臺(tái)結(jié)構(gòu)本身可以抵抗較大的水平推力。

(4)有效利用橋跨結(jié)構(gòu)或簡(jiǎn)單的附加設(shè)置,來(lái)平衡水平力。在臺(tái)后填土中埋置錨定塊,設(shè)置拉桿與臺(tái)身連接,利用錨定板的抗拔力平衡臺(tái)身的水平力;對(duì)小跨徑結(jié)構(gòu),墩臺(tái)的基礎(chǔ)間設(shè)置支撐梁,直接抵抗水平推力。

(5)橋臺(tái)搭板長(zhǎng)度應(yīng)結(jié)合軟土厚度來(lái)確定,一般變化范圍為6～10m,軟土較厚處選用較長(zhǎng)的搭板,可減少臺(tái)后軟基路堤沉降的可能性,并可幫助實(shí)現(xiàn)從橋跨到路基的平穩(wěn)過渡。

2.4 施工工藝

在軟土地區(qū)相同的橋梁結(jié)構(gòu)和橋臺(tái)處地基處理方案,采用不同的施工工藝和施工順序,可能會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)果。施工中應(yīng)隨時(shí)觀測(cè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定情況,調(diào)節(jié)施工節(jié)奏,使橋梁結(jié)構(gòu)在施工的各階段始終保持安全的狀態(tài)。

(1)在橋臺(tái)樁基施鉆之前,先進(jìn)行臺(tái)后路基填土碾壓,填筑的高度一般不小于臺(tái)背填土高度的1/2～2/3,填筑范圍為路堤和錐坡范圍,并有充分的預(yù)壓時(shí)間,使軟土地基的沉降變形相當(dāng)一部分產(chǎn)生在樁基成形之前,然后反開挖填土至樁頂高程處鉆孔,可保證橋臺(tái)及樁基的穩(wěn)定性。

(2)臺(tái)后填土應(yīng)按倒錐形分層堆填,分層壓實(shí)并保證足夠的壓實(shí)度,以便盡可能減少竣工后臺(tái)后填土自身的壓密沉降量。

(3)軟土地基的強(qiáng)度主要是通過排水固結(jié)得到不斷的提高,而排水固結(jié)是一個(gè)較為緩慢的過程,所以在短時(shí)間內(nèi)臺(tái)后路基填筑速度過快,軟土層未發(fā)生應(yīng)有的固結(jié)變化,就會(huì)引起流塑變形,導(dǎo)致地基失穩(wěn)破壞,影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全。因此,施工過程中應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)監(jiān)控,及時(shí)分析觀測(cè)成果,確定合理的填土速度,以保證工程質(zhì)量與結(jié)構(gòu)安全。

綜上所述,只要設(shè)計(jì)和施工措施得當(dāng),軟土地基路段的橋梁病害是可以預(yù)防的,橋梁結(jié)構(gòu)在各階段的安全是可以保障的。

[1] 顧曉魯.地基與基礎(chǔ)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1995.

[2] J TG D30-2004.公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

責(zé)任編輯:錢讓清

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1671-8275(2010)01-0018-02

2009-10-20

陳德春(1965-),男,安徽長(zhǎng)豐人,合肥市公路局長(zhǎng)豐分局工程師。