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        軟土地區(qū)鐵路橋梁墩臺滑移病害整治技術研究

        2013-11-27 07:18:54
        鐵道標準設計 2013年11期
        關鍵詞:橋梁混凝土

        李 濤

        (中鐵上海設計院集團有限公司,上海 200070)

        1 概述

        寧啟鐵路位于江蘇省,經(jīng)過長江以北沖積平原,所處地區(qū)軟土覆蓋層較厚,易發(fā)生橋梁墩臺病害。2010年,在進行寧啟鐵路增建二線某中橋建設過程中,發(fā)現(xiàn)一側(cè)的既有線中橋出現(xiàn)梁縫減小甚至頂死、墩臺向河中心滑移、橋臺支座螺栓剪斷、個別支座脫空等病害,影響既有線列車運營安全,不得已對通過列車采取了限速45 km/h的臨時措施。按照上海鐵路局工務部門要求,中鐵上海設計院根據(jù)現(xiàn)場測試資料,對該橋的病害機理及發(fā)生原因進行了研究分析,并結(jié)合新建二線橋梁完成了整體治理加固設計,希望通過實施過程中的不斷調(diào)整優(yōu)化,為類似病害橋梁的整治加固提供借鑒參考。

        2 既有線工程

        2.1 橋梁結(jié)構

        既有線中橋建成于2002年,全長62.42 m,線路垂線與河道交角 42°。橋位處線路為直線段,坡度4.3‰。上部結(jié)構為3-16 m預應力混凝土簡支T梁,圓柱面鋼支座。鋼筋混凝土圓柱形橋墩,直徑2.0 m。T形橋臺。墩臺基礎均采用φ0.8 m鉆孔灌注樁,持力層位于砂巖層。

        新建二線中橋建成于2010年,與既有橋梁并行,線間距為9.5 m。全長61.47 m,直線平坡。為了與既有線橋墩對孔布置,上部結(jié)構亦采用3-16 m預應力混凝土簡支T梁,盆式橡膠支座。鋼筋混凝土圓柱形橋墩,直徑2.50 m??招木匦螛蚺_。墩臺基礎均采用φ1.0 m鉆孔灌注樁。

        2.2 臺后路基軟土處理

        既有線橋梁臺后路基高5.5 m,臺后及橋臺錐體處地基軟土采用粉噴樁加固處理。樁間距1.1 m,直徑0.5 m,樁深8.5~14 m,粉噴樁打穿軟土底部0.2 m以上;新建二線橋梁臺后路基軟土地基以及橋臺錐體范圍內(nèi)地基也采用了水泥攪拌樁加固,樁徑0.5 m,樁間距1.0~1.3 m,樁長9~14.0 m。

        2.3 橋址處地質(zhì)情況

        地質(zhì)勘探資料揭示,橋址處30.0 m厚度內(nèi)為第四系全新統(tǒng)沖積黏性土、第三系上新統(tǒng)圓礫土以及白堊系泥質(zhì)砂巖。地面下約15 m范圍內(nèi)均為流塑狀淤泥質(zhì)黏土,承載力低,為典型的軟土地基。河道及岸坡穩(wěn)定性較差,稍遇外界干擾,即可發(fā)生岸坡滑移,造成橋梁病害。各土層特征分別見表1。

        表1 地質(zhì)分層及相關設計參數(shù)

        3 橋墩臺位移病害

        2011年9月、2012年5月,上海鐵路局工務檢測部門對既有線橋墩臺的位移情況進行了2次檢測,并給出了鑒定評估意見。

        3.1 外形觀測

        (1)梁縫:全橋各孔間梁縫與竣工圖梁縫相比均明顯縮小。其中,0號臺前墻右側(cè)上緣與梁端頂死,梁端局部開裂;1號墩梁端上緣不規(guī)則頂緊;2號墩梁端上緣頂緊,橫隔板開裂;3號臺前墻左側(cè)與梁端頂緊,橫隔板開裂。

        (2)支座:第一孔梁固定支座下板螺栓剪斷,下板松動、支座吊空,局部有平面內(nèi)扭轉(zhuǎn)。

        (3)橋臺后路基:兩橋臺后路基沉降明顯,護錐與臺后路基已形成明顯臺階,護錐頂部破裂。

        3.2 梁縫測量值

        從2011年9月、2012年5月2次梁縫測量值比較(表2)看出,在不到1年的時間內(nèi),既有線橋梁梁縫有不斷減小的趨勢。

        表2 梁縫測量值 mm

        3.3 墩臺位移量分析

        根據(jù)支座下板縱向中心距測量結(jié)果,與理論設計值相對比,可推測墩臺水平變形情況,見表3及圖1。

        表3 墩臺水平變形推測值

        圖1 既有線橋墩橫向位移平面示意

        由上看出,墩臺縱向位移為22~77 mm,已經(jīng)超出了鐵路橋梁設計規(guī)范中規(guī)定的活載作用下容許值20 mm。橫向最大位移也達到110 mm,對線路平面影響較大,必須進行整治處理,確保行車安全。

        4 病因分析

        4.1 有關計算方法

        根據(jù)已發(fā)生的墩臺頂實際位移病害,通過對路基-橋臺土體整體的最不利滑弧檢算和土壓力計算對比分析,確定臺背土壓力是控制荷載。對造成本橋墩臺過大位移的可能因素,如樁基持力土層約束作用、臺背土壓力計算參數(shù)選取、樁身水平土推力荷載等進行了計算研究。按照現(xiàn)行鐵路橋梁設計和檢定規(guī)范[1-2]及常用計算分析方法[3-4],建立樁基計算模型,采用“m法”進行理論分析,探討各種因素影響的權重值。例如,對縱向位移值最大的0號橋臺,針對樁基持力層軟土經(jīng)粉噴樁實際加固后的不同效果,選取不同的側(cè)向地基比例系數(shù)進行模擬計算。最不利時完全不考慮側(cè)向土體的約束作用,按高樁承臺計算,分析樁身可能出現(xiàn)的自由端長度。

        參照國內(nèi)對類似病害橋梁的分析資料[5-11],分析時將目前橋梁設計規(guī)范中沒有明確規(guī)定的樁側(cè)土體水平推力作為外荷載計入,采用側(cè)壓力系數(shù)法計算[12]。該方法基于彈性半無限空間理論,考慮臺背路基填土自重對地基產(chǎn)生的附加豎向壓力,然后乘以相應的側(cè)壓力系數(shù),得到作用在樁側(cè)的附加水平側(cè)壓力(圖2)。其地面以下深度為z的附加水平側(cè)壓力為

        式中,ξ為側(cè)壓力系數(shù);Ks為豎向壓力分布系數(shù);γh為路基填土容重;H為路基填土高。

        圖2 臺背土壓力及樁側(cè)附加水平力計算示意

        4.2 計算工況及分析

        本次分析共采用了4種計算工況,將所得計算結(jié)果與實際測量值進行對比,判斷可能發(fā)生的最大影響因素。表4為各計算工況組成情況,表5為0號臺頂水平位移計算結(jié)果。

        表4 計算工況

        表5 0號橋臺臺頂位移計算值

        從表5中看出,工況4情況下,即不考慮地面下7.5 m范圍內(nèi)的約束作用時(假定自由樁長 l0=7.5 m),臺頂位移達到74.4 mm,與實測最大值77 mm比較接近,說明樁基持力層土體的約束作用極弱,是引起墩臺位移較大變形的主要原因。計算結(jié)果還表明,此時樁身混凝土應力最大8.7 MPa,鋼筋應力最大148.7 MPa,均在設計規(guī)范允許范圍內(nèi),可以推斷結(jié)構尚未出現(xiàn)大變形和損害。

        根據(jù)上述實測及分析結(jié)果,可以初步判斷本橋病害原因是由于地基軟弱,在臺背土推力或其他外界因素的作用下,原有土體的相對平衡失穩(wěn),導致河岸兩側(cè)土體向河中心處緩慢滑移,推動橋臺及橋墩水平變形所致。因線路與河流斜交,故墩臺同時發(fā)生縱向及橫向位移?,F(xiàn)場調(diào)查還表明,在新建橋梁施工前,既有線橋墩臺已發(fā)生滑移,而新建橋施工時又擾動了周圍土體,加劇了河道的滑移趨勢。由于兩橋相距較近,共處于一個整體的滑移帶內(nèi),故新建橋梁也發(fā)生了墩臺的滑移,應采用針對性的方法進行整體治理。

        5 整治加固工程

        5.1 橋梁加固方案

        對既有線、新建二線的橋墩基礎均采用“縱向頂撐,橫向限位”的加固原則,阻止其繼續(xù)位移。同時采用頂推等方法,將已經(jīng)產(chǎn)生滑移的墩臺盡量復位,恢復原有梁縫,滿足橋梁上部結(jié)構的伸縮功能要求。

        具體做法是,加固橋梁基礎結(jié)構和周邊土體,固定墩臺以防止其繼續(xù)滑移;對臺后土體進行減載,減小水平推力,并通過頂推復位或結(jié)構整治,恢復梁縫,必要時采用鏈鋸鋸除橋臺部分胸墻,滿足列車運營時所需要的梁縫要求;更換支座,保證結(jié)構受力正常及安全。對結(jié)構的加固方法,考慮了以下3個設計方案。

        方案一,墩臺之間設置縱向水平系梁,在承臺處形成強大的水平支撐,提高墩臺的水平抗推剛度,效果最好,可有效阻止其繼續(xù)滑移。

        方案二,在原墩臺基礎上增加新樁,加大基礎抗推剛度,抵抗水平位移。同時在橋臺及橋墩靠近河心側(cè)采用高壓旋噴樁加固軟土層,提高土體的側(cè)向承載力。

        方案三,對橋位處河床進行高壓旋噴樁地基加固,全橋范圍內(nèi)加固軟土層,整體性改變軟土地基的性質(zhì),阻止滑移的繼續(xù)發(fā)展。

        經(jīng)比選,方案一具有效果明確、對建成橋墩的影響小、施工難度小以及工程投資較省等優(yōu)越性,推薦采用。

        5.2 加固設計要點

        (1)縱向頂撐

        既有線橋、新建二線橋梁各墩臺之間設置2道100 cm×100 cm鋼筋混凝土縱向水平系梁,保證各墩臺之間不再發(fā)生相對位移,進而限制墩臺的繼續(xù)滑移。在系梁下設φ80 cm鋼筋混凝土鉆孔灌注樁,平衡系梁受力時可能產(chǎn)生的豎向上拔力。系梁之間加設100 cm×100 cm鋼筋混凝土橫梁,保證共同受力,詳見圖3。

        圖3 既有橋加固設計示意(單位:cm)

        (2)橫向限位

        在既有橋3號橋臺、新建橋0號橋臺外側(cè)設置鋼筋混凝土承臺,承臺下為φ100 cm鉆孔樁,限制可能繼續(xù)發(fā)生的橋臺橫向位移。

        (3)臺后應力釋放

        橋臺后土體卸載、結(jié)構恢復就位過程中,可在臺后施打2排φ60 cm應力釋放孔,孔間距1 m,按正方形布置。此項措施是為釋放臺后地基中的應力,幫助橋臺復位。橋臺復位后,在鉆孔內(nèi)填充輕質(zhì)混凝土。

        (4)橋墩包箍

        增加既有橋橋墩截面,提高墩身橫向剛度。采用橋墩植筋、并在原墩身包箍鋼筋混凝土結(jié)構外層的方法,將橋墩直徑加大至2.5 m。

        (5)橋臺補強

        在橋臺復位時,如果梁縫恢復達不到標準要求,則應鋸除橋臺部分胸墻,保證必須的梁縫,并根據(jù)受力要求在相關部位采用植筋、澆筑鋼筋混凝土的方式進行結(jié)構補償。

        6 結(jié)語

        (1)本橋墩臺滑動方向基本指向河中心,位移較大,為典型的軟土地區(qū)橋梁基礎滑移病害,必須進行整治處理以確保列車運營安全。

        (2)理論分析表明,墩臺樁基持力層土體的約束作用極弱,是引起墩臺位移變形病害的主要原因,外界施工干擾則進一步加劇了病害發(fā)展。分析計算時采用自由樁長的假定能夠較好說明實際病害情況。

        (3)提出的“縱向頂撐、橫向限位”設計思路具有較強針對性,實施中采用了墩臺之間設置水平系梁、橋臺外側(cè)設置橫向限位樁、臺后地基鉆孔釋放應力等整治和施工方法。

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