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        既有橋梁低標(biāo)號(hào)樁基承臺(tái)加固設(shè)計(jì)分析

        2013-09-05 05:08:28黃俊杰楊玲玲
        鐵道建筑 2013年1期
        關(guān)鍵詞:植筋墩身樁基

        蔣 薇,蘇 謙,黃俊杰,楊玲玲,喬 珊

        (1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031;2.西南交通大學(xué)道路工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610031;3.四川科特建設(shè)管理有限公司,四川成都 610000)

        1 工程簡介

        某既有線橋梁屬于預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋,全橋長425.82 m,橋面縱坡11.2‰,位于R=450m圓曲線路段。兩側(cè)橋臺(tái)為擴(kuò)大基礎(chǔ),其余橋墩基礎(chǔ)為樁基基礎(chǔ),樁徑為1.25m。樁和承臺(tái)為C18鋼筋混凝土材料,屬于低標(biāo)號(hào)混凝土;墩身均為矩形實(shí)體墩,橋臺(tái)為T形橋臺(tái)。墩、臺(tái)材料為C13片石混凝土,支座皆為搖軸式支座。

        該大橋所在地區(qū)地貌和地質(zhì)類型較復(fù)雜,斷裂縱橫,巖體破碎,巖性多變。區(qū)內(nèi)碳酸鹽分布廣,巖溶、膨脹巖土、軟質(zhì)泥炭土、暗河、漏斗等溶蝕地貌顯著。

        2 橋梁基礎(chǔ)病害機(jī)理分析

        綜合前期系統(tǒng)監(jiān)測、現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)據(jù)分析,該承臺(tái)病害產(chǎn)生原因主要有以下3點(diǎn):

        1)墩身橫向振幅超限問題,可能主要由以下幾方面或單方面原因,即①墩身橫向剛度不足;②橋墩基礎(chǔ)不穩(wěn);③上部結(jié)構(gòu)橫向荷載過大。

        2)材料的強(qiáng)度不夠,承臺(tái)使用的是C18鋼筋混凝土材料,按現(xiàn)有規(guī)范的設(shè)計(jì)要求似嫌不足。

        3)橋梁基礎(chǔ)問題,地基溶洞和裂隙極為發(fā)育,巖層強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化,部分橋墩樁長不足,支撐于軟巖或極軟巖上,甚至嵌在砂層中,在車—線—橋系統(tǒng)耦合作用下,導(dǎo)致橋墩及承臺(tái)基礎(chǔ)沉降和不均勻沉降。

        3 橋梁承臺(tái)加固設(shè)計(jì)方案

        既有鐵路橋基礎(chǔ)病害整治是一個(gè)多因素相互作用的綜合性工程,整治方案的科學(xué)和整治工藝的合理排序關(guān)乎整個(gè)整治工程的成敗。一個(gè)具體實(shí)施的整治方案和工藝,需要多方論證和研究。

        3.1 加固的基本原則

        1)加固設(shè)計(jì)應(yīng)與施工方法緊密結(jié)合,并采取有效措施,保證新老結(jié)構(gòu)連接可靠、協(xié)同工作。

        2)加固設(shè)計(jì)及施工盡量不損傷原結(jié)構(gòu),并保留具有利用價(jià)值的構(gòu)件,避免不必要的拆除或更換。

        3)加固設(shè)計(jì)應(yīng)符合相應(yīng)規(guī)范承載力設(shè)計(jì)值的要求。

        4)保證運(yùn)營安全。

        3.2 方案設(shè)計(jì)[1-3]

        根據(jù)前期監(jiān)測和勘察結(jié)果,經(jīng)過多方論證與研討,對(duì)該大橋的承臺(tái)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)外包式,如圖1所示。此法適用于基礎(chǔ)承載力不足或埋置太淺,而墩臺(tái)又是磚石或混凝土剛性實(shí)體基礎(chǔ),并適用于基礎(chǔ)發(fā)生較大不均勻沉降的情況。為使新舊承臺(tái)結(jié)合良好,采用植筋法連接新老承臺(tái),即通過植入鋼筋錨栓承接和傳導(dǎo)彎矩及剪力,使新舊混凝土形成有機(jī)整體共同承擔(dān)上部荷載。為加強(qiáng)新舊混凝土的結(jié)合,應(yīng)把原承臺(tái)與新增承臺(tái)的結(jié)合面進(jìn)行百分之百的鑿毛,鑿毛過程中,盡可能鑿除原承臺(tái)有蜂窩或空洞缺陷部分。鑿毛后,在需要植筋部位打孔至設(shè)計(jì)深度,然后清洗混凝土表面并保持表面濕潤。完成以上工作后,在鋼筋及其植筋孔內(nèi)表面涂抹植筋膠,植入設(shè)計(jì)長度的φ25鋼筋錨栓,待鋼筋錨栓穩(wěn)固后澆筑新承臺(tái)混凝土。

        圖1 承臺(tái)加固方案

        3.3 加固計(jì)算方法

        1)樁對(duì)承臺(tái)的沖切作用檢算方法[4]

        根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》,對(duì)于柱下矩形獨(dú)立承臺(tái)受柱沖切的承載力可按下式計(jì)算

        式中 Fl——不計(jì)承臺(tái)及其上土重,在荷載效應(yīng)基本組合下作用于沖切破壞椎體上的沖切力設(shè)計(jì)值;

        ft——承臺(tái)混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;

        hc,bc——分別為 x、y 方向的柱截面的邊長;

        a0x,a0y——分別為 x、y 方向柱邊至最近樁邊的水平距離;

        βhp——受剪切承載力截面高度影響系數(shù)。當(dāng)h≤800mm 時(shí),取 βhp=1.0;當(dāng) h≥2 000mm 時(shí),取 βhp=0.8。

        2)角樁對(duì)承臺(tái)的沖切計(jì)算方法[4]

        根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》,四樁以上(含四樁)承臺(tái)受角樁沖切的承載力可按下式計(jì)算

        式中 Nl——不計(jì)承臺(tái)及其上土重,在荷載效應(yīng)基本組合作用下角樁(含復(fù)合樁)反力設(shè)計(jì)值;

        β1x,β1y——角樁沖切系數(shù);

        a1x,a1y——從承臺(tái)底角樁頂內(nèi)邊緣引 45°沖切線與承臺(tái)頂面相交點(diǎn)至角樁內(nèi)邊緣的水平距離;當(dāng)柱邊或承臺(tái)變階處位于該45°線以內(nèi)時(shí),則取由柱邊或承臺(tái)變階處與樁內(nèi)邊緣連線為沖切錐體的錐線;

        h0——承臺(tái)外邊緣的有效高度;

        λ1x、λ1y——角樁沖跨比,λ1x=a1x/h0,λ1y=a1y/h0,其值均應(yīng)滿足 0.25~1.0的要求。

        βhp——受剪切承載力截面高度影響系數(shù);當(dāng)h≤800mm時(shí),取βhp=1.0;當(dāng) h≥2 000mm 時(shí),取 βhp=0.8。

        3)受剪檢算方法[4]

        根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》,柱下獨(dú)立樁基承臺(tái)斜截面受剪承載力應(yīng)該按下列公式計(jì)算

        式中 V——不計(jì)承臺(tái)及其上土自重,在荷載效應(yīng)基本組合下,斜截面的最大剪力設(shè)計(jì)值;

        ft——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;

        b0——承臺(tái)計(jì)算截面處的計(jì)算寬度;

        h0——承臺(tái)計(jì)算截面處的有效高度;

        α——承臺(tái)剪切系數(shù);

        λ——計(jì)算截面的剪跨比,λx=ax/h0,λy=ay/h0,此處,ax、ay為柱邊或承臺(tái)變階處至x、y方向一排樁的樁邊的水平距離,其值均應(yīng)滿足0.25~3.00的要求;

        βhs——受剪切承載力截面高度影響系數(shù);當(dāng)h0<800mm 時(shí),取 h0=800mm;當(dāng) h0>2 000mm時(shí),取h0=2 000mm。

        4 低等級(jí)混凝土植筋方案設(shè)計(jì)

        植筋技術(shù)又稱為錨筋技術(shù),是一種新型混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。該技術(shù)采用沖擊電鉆在現(xiàn)有混凝土等結(jié)構(gòu)上鉆孔,然后用植筋膠填塞,最后栽植鋼筋,使鋼筋和混凝土緊密結(jié)合,以達(dá)到增強(qiáng)新增加固材料與老結(jié)構(gòu)的連接性能,同時(shí)又可使所植鋼筋起到剪力鋼筋的作用。

        4.1 設(shè)計(jì)原則

        根據(jù)設(shè)計(jì)文件,該大橋墩臺(tái)采用C13片石混凝土,承臺(tái)為C18鋼筋混凝土材料,其材料強(qiáng)度均不能滿足規(guī)范[5]對(duì)同類構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C25的要求。因此,《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》已不能作為該大橋的設(shè)計(jì)依據(jù)。這就對(duì)該承臺(tái)加固植筋技術(shù)提出了考驗(yàn),亦即,如何設(shè)計(jì)植筋的錨固深度、布置形式成為加固的關(guān)鍵。經(jīng)過多方研究討論,再三考慮《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》的適用性,本次設(shè)計(jì)仍然將該規(guī)范作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),但在取值的時(shí)候可以選擇乘以一個(gè)放大相關(guān)系數(shù)Ψ=1.5,以確保能滿足低標(biāo)號(hào)承臺(tái)植筋加固的設(shè)計(jì)需求。

        4.2 錨固深度確定方法

        選取合理的錨固深度能使植筋在不損壞原結(jié)構(gòu)的情況下,使新增結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合形成整體,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性。

        植筋的基本錨固深度ls的計(jì)算公式[6]

        式中,防止混凝土劈裂引用的計(jì)算系數(shù)aspt=1.0;植筋公稱直徑d=16 mm;鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=455mPa;膠黏劑的黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fbd=2.14 MPa。計(jì)算得錨固深度ls=680mm,在此基礎(chǔ)上再乘以一個(gè)放大相關(guān)系數(shù)Ψ=1.5,得到基本錨固深度l's=1 020mm。

        對(duì)于該大橋,可采用構(gòu)造要求植筋確定最終錨固深度,對(duì)于受拉鋼筋錨固:最小錨固長度lmin應(yīng)該選取max{0.3 ls=306 mm;10d=160mm;100mm},由此,可確定該設(shè)計(jì)植筋的錨固深度ls=300mm。

        4.3 施工工藝要求

        在設(shè)計(jì)滿足要求后,施工質(zhì)量的好壞決定承臺(tái)加固施工的成敗。因此對(duì)植筋技術(shù)做如下說明:

        1)將設(shè)計(jì)接觸面的墩身和承臺(tái)部分開挖露出,對(duì)設(shè)計(jì)接觸面進(jìn)行鑿毛,鑿除深度25~30mm,并清洗干凈,以保證接觸面黏接強(qiáng)度。

        2)植筋按梅花形布置,詳見墩身植筋布置大樣圖2。

        圖2 墩身植筋布置大樣(單位:cm)

        3)將植筋孔放位,采用電錘隔孔鉆孔方式(嚴(yán)禁使用氣錘鉆孔,以防止出現(xiàn)局部松散,開裂),要求后續(xù)植筋工序跟進(jìn),每一面植筋孔數(shù)量不允許出現(xiàn)大于3個(gè),鉆孔深度為300mm,鉆孔深度檢驗(yàn)差值不能超過5mm。邊孔距離結(jié)構(gòu)邊緣≥150mm,相鄰接觸面植筋采用“間隔臨近”方式,詳見相鄰面植筋布置大樣圖3。

        4)橋墩墩身下部及承臺(tái)頂、側(cè)面要鑿毛,頂面不鉆孔植筋,側(cè)面鉆孔植筋,植筋方式詳見植筋布置大樣圖4。

        5)采用壓縮空氣設(shè)備清理鉆孔,嚴(yán)禁用水清洗,以防孔內(nèi)潮濕,影響植筋質(zhì)量。

        6)所植鋼筋采用HRB335φ16 mm帶肋或螺紋鋼筋,鉆孔直徑為20mm;植筋膠黏劑采用A膠或B膠,必須按照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求進(jìn)行安全性檢驗(yàn)。

        圖3 相鄰面植筋布置大樣(單位:cm)

        圖4 側(cè)面植筋布置大樣(單位:cm)

        5 結(jié)語

        1)結(jié)合加固承臺(tái)的基本原則,對(duì)承臺(tái)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)外包式,在新舊混凝土接觸面進(jìn)行鋼筋植筋,使新承臺(tái)與舊承臺(tái)完全結(jié)合共同作用,來控制橋梁的不均勻沉降,以保證列車正常安全舒適的運(yùn)行。

        2)承臺(tái)屬于低強(qiáng)度指標(biāo)混凝土,在加固植筋技術(shù)中已不能采用現(xiàn)行規(guī)范作為承臺(tái)加固設(shè)計(jì)依據(jù)。本文對(duì)承臺(tái)植筋的技術(shù)提出更為詳細(xì)的建議。

        3)與此同時(shí),由于缺乏規(guī)范的指導(dǎo),上述的相關(guān)參數(shù)均依據(jù)相關(guān)加固設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)得出,施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行植筋抗拉試驗(yàn),以檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)植筋質(zhì)量。

        [1]袁善堤.超低標(biāo)號(hào)混凝土樁基承臺(tái)加固[J].浙江建筑,2010,27(7):43-45.

        [2]張永厚,張永峰.中山市沙崗立交橋使用狀態(tài)檢定和加固方法研究[J].鐵道建筑,2012(5):11-13.

        [3]王振領(lǐng),林擁軍,錢永久.新老混凝土結(jié)合面抗剪性能試驗(yàn)研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,40(5):601-604.

        [4]中華人民共和國建設(shè)部.JGJ 94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

        [5]中華人民共和國建設(shè)部.JB 50367—2006 混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

        [6]王春林,陳越粵,周強(qiáng).對(duì)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》中植筋技術(shù)的討論[J].特種結(jié)構(gòu),2008,25(1):103-104.

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