張 濤,甘 軍,2
(1.杭州市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督局,杭州 310014;2.同濟(jì)大學(xué),上海 200092)
橋臺是連接橋梁與路基的重要部位,也是橋梁的重要受力構(gòu)件,橋臺失穩(wěn)破壞將對整個結(jié)構(gòu)造成極大影響。蘇謙等[1]研究了地震作用下橋臺破壞特點(diǎn),考慮土體強(qiáng)度衰減效應(yīng)對橋臺穩(wěn)定性的影響,將橋臺—土體地震動力響應(yīng)分析與Newmark有限滑移計(jì)算方法相耦合,提出橋臺滑移計(jì)算公式。林德明[2]分析了軟土地基橋臺位移及穩(wěn)定性的影響因素,從改善地基、減輕荷載和平衡荷載三方面介紹了預(yù)防橋臺位移的措施。陳睿等[3]分析了軟土地基樁基橋臺由于軟土地基塑性流動出現(xiàn)位移的原因,并介紹了幾種防治方法,提出了施工中應(yīng)注意的事項(xiàng)。楊玲燕等[4]分析樁柱式橋臺樁基與軟土地基的相互作用,以及軟土地基橋臺后填土對樁基產(chǎn)生的樁側(cè)土抗力,分析由此導(dǎo)致的橋臺位移以及防治措施。
但是對于庫區(qū)高填方地基橋臺位移及其病害處治尚缺乏針對性研究。本文結(jié)合某工程實(shí)際,通過數(shù)值計(jì)算及理論分析,研究庫區(qū)高填方地基橋臺-土體的破壞機(jī)制,及其病害處治方法。
某庫區(qū)公路簡支橋梁,5跨20 m空心板梁橋,橋面連續(xù),橋?qū)?2 m,橋梁縱坡1%。橋墩采用樁柱接蓋梁形式,墩身直徑1.3m,樁基直徑1.5m,樁基均嵌入弱風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖不小于5 m。常水位98.0 m,最高通航水位108.0 m(圖1)。
圖1 工程概況
原始地面高程為87 m,橋臺高填土分層碾壓密實(shí)至設(shè)計(jì)回填高程103 m,待土體穩(wěn)定密實(shí)后進(jìn)行墩臺樁基施工。施工期間,1號、4號橋墩立柱在未架梁前發(fā)生向河側(cè)傾斜現(xiàn)象,且樁柱結(jié)合處均出現(xiàn)了環(huán)向裂縫,于是進(jìn)行了加固措施:
(1)對1號、4號橋墩的蓋梁、立柱進(jìn)行鑿除,重新澆筑。
(2)在1號和2號、3號和4號橋墩下系梁處分別設(shè)置米字型框架進(jìn)行連接。
該橋通車一年后,出現(xiàn)了如下病害:
(1)5號橋臺兩側(cè)擋塊位置出現(xiàn)了一道45°的貫穿斜裂縫,一直通至背墻,裂縫寬度約4 mm。
(2)橋臺蓋梁北側(cè)在距肋身內(nèi)側(cè)約1 m的位置出現(xiàn)了一道細(xì)裂縫。
(3)伸縮縫型鋼間隙變小。
采用MIDAS空間有限元單元計(jì)算軟件,將蓋梁、肋身、承臺及樁基離散為四部分的有限單元模型,地基樁側(cè)土符合溫克爾離散線性彈簧模型,利用“m”法將地基樁側(cè)反力模擬具有一定剛度的彈性支撐,建立側(cè)向支撐彈簧,計(jì)算模型如圖2所示。分別按照兩種計(jì)算假定情況進(jìn)行計(jì)算:(1)橋臺后填土為穩(wěn)定土體(填土的沉降及水平位移已經(jīng)穩(wěn)定);(2)橋臺后填土未穩(wěn)定(填土處于持續(xù)發(fā)生沉降及水平位移的狀態(tài))。
2.1.1 橋臺填土為穩(wěn)定土體
假設(shè)橋臺后填土的沉降和水平位移已經(jīng)穩(wěn)定,填土作為外力加載于模型上,采用庫侖土壓力理論進(jìn)行計(jì)算。填土重度γ=18 kN/m3,內(nèi)摩擦角φ=30o,粘聚力c=0,臺背肋身豎直,填土與臺背肋身的摩擦角δ取為φ/2=15o。
橋臺后填土施工要求第一次回填到達(dá)103 m高程,在填土密實(shí)、穩(wěn)定后施工橋臺樁基,橋臺施工完畢后進(jìn)行二次回填至112m高程。土體單側(cè)土壓力從103 m起算。
(1)計(jì)算結(jié)果
順橋向位移在蓋梁頂達(dá)到最大水平位移(圖3)0.7 cm?,F(xiàn)《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D61-2005)對水平位移量無要求,根據(jù)原《公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ022-85)[5]要求,墩臺頂面水平位移量Δ≤0.5L1/2=2.5 cm,因此對新老規(guī)范來說位移量均滿足要求。
(2)結(jié)構(gòu)受力情況
耳背墻及抗塊:臺頂位移量僅7 mm,橋臺背墻不承受梁板反力,橋臺背墻在臺后土壓力作用下承載能力滿足要求。
蓋梁:蓋梁在肋身頂面位置抵抗負(fù)彎矩的鋼筋抗彎承載能力滿足要求,豎向抗剪亦滿足承載能力要求。
樁基:樁身土中最大彎矩值M為1300 kN.m,而樁基的抗彎承載能力R(M)=1800 kN.m,滿足承載能力要求。
2.1.2 橋臺填土為非穩(wěn)定土體
假設(shè)橋臺后回填土體為非穩(wěn)定土體,采用朗金主動土壓力進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算從原始地面線約87 m高程開始計(jì)算單側(cè)主動土壓力。臺背肋身豎直光滑,填土重度γ=18 kN/m3,內(nèi)摩擦角φ=30o,粘聚力c=0。
計(jì)算結(jié)果:
(1)順橋向位移如圖4所示,在蓋梁頂達(dá)到最大水平位移,臺頂位移達(dá)192 mm。
(2)結(jié)構(gòu)受力情況:
根據(jù)背墻和梁板發(fā)生頂觸的實(shí)際情況,在背墻位置處設(shè)置水平約束,分析結(jié)構(gòu)受力,計(jì)算結(jié)果如下:
橋臺頂部背墻處水平推力F=3300 kN。
橋臺頂部背墻處彎矩值約M=1980 kN.m
橋臺蓋梁水平剪力Q=1320 kN
橋臺蓋梁水平彎矩M1=1190 kN.m
橋臺頂部背墻處抗剪刀承載能力R(F)=4300 kN
橋臺頂部背墻處抗彎承載能力R(M)=620 kN.m
蓋梁抗剪承載能力R(Q)=2030 kN
蓋梁抗彎承載能力R(M1)=520 kN.m
2.1.3 橋臺位移病害原因分析
(1)橋臺位移計(jì)算結(jié)果表明,若臺后土體處于非穩(wěn)定狀態(tài),會導(dǎo)致橋臺承受臺后土壓力而發(fā)生明顯的水平位移。如果無外力約束條件,水平位移將達(dá)到192 mm,該位移已經(jīng)超過伸縮縫型鋼寬度。
現(xiàn)場橋臺背墻已與梁板頂觸,反映橋臺背墻發(fā)生了明顯的水平位移,只是在梁板的約束下其水平位移才未繼續(xù)發(fā)展,實(shí)際情況與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相吻合,證明樁基及橋臺施工時(shí)高填方地基尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
(2)結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算結(jié)果表明,R(M)<M,背墻彎矩值已經(jīng)超過其抗彎承載能力,在背墻與蓋梁交界處即L型的凹角位置已開裂;R(Q)>Q,蓋梁抗剪承載能力仍能滿足,蓋梁在肋身附近,R(M1)<M1水平彎矩過大,超過了其抗彎承載能力,出現(xiàn)豎向裂縫。計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場橋臺結(jié)構(gòu)開裂情況相吻合。
(3)綜合模擬計(jì)算與現(xiàn)場病害情況,橋臺位移病害的主要原因如下:
①設(shè)計(jì)單位未考慮到庫區(qū)高填方施工難度大,尤其在工程工期緊張的條件下難以保證土體達(dá)到理想的穩(wěn)定狀態(tài),也未考慮水位變化對土體穩(wěn)定性的不利影響,沒有提高橋臺和樁基的安全系數(shù)。
②設(shè)計(jì)單位未對高填方施工,提出針對性的沉降和位移觀測方案和技術(shù)要求。
③施工單位在高填方施工中,未針對現(xiàn)場鄰水高填方制定有效的質(zhì)量控制措施,路基填筑施工中填料繼配、填筑層厚等控制不嚴(yán)格;同時(shí)未對填方地基進(jìn)行沉降和位移觀測,在尚未確定高填方地基是否已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的穩(wěn)定狀態(tài)的情況下,就進(jìn)行了后續(xù)的樁基和橋臺施工。
處治方案:在橋臺后路基上交錯布置11根直徑1.2 m的樁基,形成一道擋土結(jié)構(gòu)。
施工工藝:在5號橋臺后路基側(cè),采用旋挖鉆機(jī),先進(jìn)行半幅的樁基施工,另半幅進(jìn)行通車。待完成半幅施工及路面層的施工后,封閉另側(cè)半幅路基施工樁基,利用施工完成的半幅進(jìn)行通車。采用1.2 m的基樁交錯布置,兩側(cè)分別各布置5根和6根,合計(jì)11根。
其它病害處理:針對砼裂縫開裂的情況,采用裂縫灌漿工藝對其進(jìn)行封閉,然后在裂縫表面采用鋼板進(jìn)行粘貼加固(圖5)。
經(jīng)建設(shè)單位委托第三方檢測單位對該橋?yàn)槠诎肽甑谋O(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果表明,臺后路基沉降已趨于穩(wěn)定,橋臺裂縫基本沒有發(fā)展,伸縮縫型鋼無明顯繼續(xù)擠壓趨勢,縱橋向位移趨于穩(wěn)定。
從該橋的質(zhì)量事故分析,建議今后對橋墩臺樁基有高填土的工程,應(yīng)注意以下問題:
(1)庫區(qū)公路橋梁設(shè)計(jì)中,尤其是對于水深比較大、水位變化比較大的路段,應(yīng)優(yōu)化橋跨布置,降低橋臺處填方地基高度,避免高填地基土體穩(wěn)定性不足引起的水平推力對橋臺的影響。如果受條件制約,橋臺位置無法調(diào)整且填方地基較高的情況,設(shè)計(jì)需明確具體的位移和沉降觀測要求,給出明確的土體穩(wěn)定指標(biāo),并應(yīng)考慮水位變化等引起土體穩(wěn)定性的不利影響,提高橋臺和樁基的安全系數(shù)。
(2)庫區(qū)道路橋梁橋臺高填方地基施工時(shí),應(yīng)加強(qiáng)施工組織設(shè)計(jì),首先選擇合理的施工時(shí)間,安排在枯水位時(shí)施工,避免高水位時(shí)填筑;其次要嚴(yán)格控制填料的粒徑和級配,填層厚度和壓實(shí)工藝;最后,施工中必須進(jìn)行地基沉降和位移觀測,待確認(rèn)地基土體穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求后,方可進(jìn)行后續(xù)樁基等施工。
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