姜明君

(沈陽建筑大學土木工程學院，遼寧 沈陽 11016)

0 引言

近年來鐵路橋梁時有坍塌，洪水沖刷，導致橋梁淺基礎勾縫脫落、部分基石沖走，造成橋臺脫空懸起，承載能力嚴重降低。墩臺因淺基而被洪水沖歪、沖倒，造成鐵路運輸中斷，給國家與人民帶來很大財產(chǎn)損失。比如，2002年濡河隴海鐵路大橋就因淺基病害而被洪水沖毀，5個橋墩連續(xù)垮塌，橫貫東西的鐵路大動脈隴海鐵路西安段隨即癱瘓，損失巨大，造成了嚴重的不良影響［1］。因此，科學判定橋梁是否存在淺基病害并及時進行有效防護是非常必要的。

1 淺基礎病害及成因

造成橋梁淺基病害的原因是多方面的，設計階段因缺乏水文資料或采用的沖刷計算方法不當，橋位附近河道內(nèi)的非法采砂活動，河床演變、河道變遷等原因引起河床下切嚴重等，都會形成橋梁淺基病害，給汛期行車和運輸安全帶來隱患［2-3］。橋梁墩臺基礎的埋置深度是指墩臺在土面以下部分即墩臺身土內(nèi)部分加基礎高度之和。墩臺基應低于最大沖刷面，當水流沖刷能淘空基底的時，墩臺將傾倒或被沖走。對于建在非堅硬巖石地基上的橋梁，其墩臺基礎在通過檢定洪水的最大沖刷線(包括一般沖刷線和局部沖刷總和)下埋置深度，不能滿足公路工程水文勘測設計規(guī)范［4］規(guī)定，如表1。則按淺基處理。

對于一般橋梁，安全值為2m加沖刷總深度的10%；對于大橋(或特大橋)因技術復雜，修復困難，安全值為3m加沖刷總深度的10%。

表1 墩臺基礎埋置深度的安全值

2 工程實例

某鐵路橋梁，上行梁部結構為3跨度36m，橋梁下部結構為2臺2墩，橋墩高5.5m，上承板梁，橋面系為有渣橋面，橋墩為混凝土實體橋墩，該橋位于直線平坡段上，與河流正交，如圖1。該橋于1990年建設，墩臺基礎為擴大基礎，各墩臺基底均為砂夾卵石，全橋竣工為片石護底，現(xiàn)已被土層埋沒，故具體狀態(tài)情況不詳。經(jīng)測量本橋河床底面至梁底面距離為6.2m，推算現(xiàn)基礎埋深為3.58 m，故該橋墩基礎可視為淺基。

該橋墩基礎及基底狀況較差，因河道挖砂，河床下切嚴重，此橋基礎多次外露。在水流的急劇沖刷下，已把河床中的松散沉積物全部沖走，在墩基底造成局部淘空，直接影響橋墩自身的穩(wěn)定，威脅整個橋梁的安全。由此可見，由沖刷、水毀、河岸護堤不足等原因?qū)е略摌驕\基礎破壞十分嚴重，所以對此橋梁淺基礎加固是必要的。本工程采用玻璃鋼袖閥管注漿加固地基，通過注漿使地層起到均勻加固的效果，增強地基土層強度，從而加固橋梁淺基礎。

3 地基載荷試驗

3.1 袖閥管注漿

袖閥管注漿工法通過封管和注漿兩種材料進行“分次”封孔和注漿，本次注漿選取直徑為50m m的泄?jié){孔的PVC管(即袖閥管)，如圖2。通過內(nèi)壓力的作用，被加壓的漿液沿著地層結構產(chǎn)生充填、滲透、壓密、劈裂流動，劈裂裂縫不斷向外延伸，漿液在土體中形成固結體，從而達到增加地層強度，降低地層滲透性的目的［5］。

圖1 橋位布置圖

圖2 袖閥管注漿結構示意圖

本次工程實例注漿袖閥管外貼玻璃鋼纖維錨片，如圖3。其特點為重量輕，耐久性好，強度高，玻纖袖閥管配合分段注漿管注漿，錨注結合，為桿體提供錨固力，加固桿周巖體，使橋墩基礎之下的地基成為一個受力整體，達到加固效果。

圖3 雙纖維片型示意圖

3.2 設計方案

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件知，該橋位處基底為砂土、砂夾卵石屬軟弱地層，經(jīng)詳細分析后，本橋決定采用玻璃鋼袖閥管注漿加固法加固墩臺基礎，設計方案如圖4。注漿材料采用普通水泥漿，漿液里加入6～10%的膨潤土，使?jié){塊結合體強度不高于1M Pa。注漿袖閥管采用柔性塑膠袖閥管［6］。

實施方案：（1）鉆孔間距1m，注漿孔與孔之間采用“梅花形”布置，布孔時孔位偏差≤50m m；（2）注漿孔排與排之間的施作循序為由外向內(nèi)；（3）注漿孔排內(nèi)施工采用“三序孔”作業(yè)，即先施作1、4、7…序孔，再施作2、5、8…序孔，最后施作3、6、9…序孔。

3.3 施工工序

袖閥管注漿施工工序見圖5。

圖5 工藝流程

3.4 注漿參數(shù)

注漿參數(shù)如表2。

3.5 注漿試驗

圖4 袖閥管注漿設計示意圖

表2 注漿參數(shù)

袖閥管施作完成后，下入雙向止?jié){塞并開始注漿，漿液通過注漿管沖開閥套進入需注漿加固的土體中。注漿時采用先外圍、后內(nèi)部的注漿順序，外圍孔注漿控制以限制注漿量為主，內(nèi)部孔注漿至不進漿為止。按注漿技術指標要求，有序注漿，直至注漿結束。對該地基進行了原位載荷試驗，以判定經(jīng)注漿加固后地基承載力和壓縮性指標，本試驗選用8 m×8 m砼塊壓重作反力裝置，1.2m×1.2m方形剛性壓板和鋼梁平臺，在承壓板頂面裝設四個位移傳感器，以測讀試驗土層在各級荷載作用下的沉降量。加荷方法采用慢速維持荷載法，加荷等級分為八級，逐級施加荷載，每級壓力在其維持過程中應保持數(shù)值穩(wěn)定。

3.6 結果分析

依建筑地基處理技術規(guī)范［11］的規(guī)定，在本地基加固范圍內(nèi)，隨機選取三個孔號做為試驗點，試驗結果如表3，荷載—沉降(Q-s)曲線如圖6。

根據(jù)現(xiàn)場試驗結果，A 1，A 2，A 3近似一條平滑的曲線，均沒有明顯的拐點。依規(guī)范，綜合評價本地基承載力特征值為153k Pa≥130k Pa，滿足設計要求；在試驗荷載值153k Pa時，三試驗點地基變形量最大差值為3.76m m，滿足設計規(guī)范要求。

圖6 荷載－沉降(Q-s)曲線圖

4 建模分析

4.1 有限元模型建立

在路堤、軌道結構及列車荷載產(chǎn)生的附加應力的作用下，軟土地基表現(xiàn)為工后沉降。由現(xiàn)場實際河床位置地判定，第一層主要人工填沙區(qū)，主要為粉砂，夾雜有碎石、碎貝殼，第二層為拋填石區(qū)，填料主要為碎石、黏土和粉砂土。建模依“中華人民共和國鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范TB10002.5—2005”進行，活載按鐵路標準活載。為分析和驗證注漿后加固效果，運用ABAQUS軟件對樁土結合模型進行了數(shù)值仿真。對樁身采用彈性模型，土體采用擴展的Drucker-Prager模型進行模擬，并考慮初始地應力的影響，通過計算得到荷載－沉降曲線，結果與現(xiàn)場實測值相近。

表3 地基土載荷試驗結果

4.2 計算假定

本計算采用增量法，荷載逐級增加，基礎垂直埋置與地基中，地基表面水平，應力分析采用總應力法，基礎、碎石注漿體為線彈性材料，漿液影響區(qū)、地基土體為理想彈塑性材料，模型本構模型采用計算參數(shù)如表4。產(chǎn)生的地基沉降）；加固后，地基總沉降量:0.085m（含地層初始應力產(chǎn)生的地基沉降）；地基總沉降量由0.1121m m降低到0.085m，減少85.6m m，能減少37%。將地基沉降的試驗值，模擬值繪制如圖，如圖7。由圖可以看出，模擬值要大于實測值，在獲取土層的計算參數(shù)時，模擬取值更為保守，故數(shù)值模擬沉降大于實測值。加固前總位移云圖最大位移為134.32m m，加固后總位移云圖（最大位移為92.55m）。

（3）基礎穩(wěn)定驗算:加固前，抗傾覆穩(wěn)定

表4 材料參數(shù)

4.3 結果分析

（1）基底應力驗算:通過ABAQUS分析結果可以看出，對于加固前基礎分析，由Mises應力圖可以看出，基礎底反力最大出現(xiàn)在距基礎左2m處。基礎兩端差異沉降達到7.5m m，已經(jīng)不滿足規(guī)范要求。需要加固處理。加固后基礎分析，Mises應力圖可以看出，加固后，兩個狀態(tài)下位移變化很小，基礎兩端差異沉降從7.5m m減小到1.7m m，完全滿足設計要求。加固前，基礎最大應力Sx=318.24MPa≤350.00M Pa滿足應力容許要求；加固后，基礎最大應力Sx=214.56MPa≤420.00M Pa滿足；地基承載力安全系數(shù)由1.09提高到1.96，提高80%。

（2）基礎沉降計算：通過ABAQUS計算分析得加固前基礎沉降云圖，對比兩圖，可以看出，加固前，基礎底面的沉降呈蝶形?；A底中心沉降最大，最大值130m m，且地基沉降最大部位集中基礎底面3m范圍內(nèi)，加固前，地基總沉降量:112.1m m（含地層初始應力系數(shù):6.077，抗滑動穩(wěn)定系數(shù):10.200；加固后，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù):10.051，抗滑動穩(wěn)定系數(shù):13.230；抗傾覆，抗滑移安全系數(shù)均得到提高。

圖7 荷載－沉降(Q-s)曲線圖

5 結論

（1）此次地基土層加固工程的注漿效果檢查與評定采用標準載荷試驗方法，與勘察設計資料得出的結果進行對比，能夠提高土體強度的30%，達到注漿設計要求。

（2）由ABAQUS模型分析結果知，通過玻纖錨片注漿加固，數(shù)值模擬值與實測試驗值相近，并由應力沉降云圖可分析出，經(jīng)加固地基總沉降量、抗傾覆、抗滑移、穩(wěn)定性、地基承載力得到增強，此注漿加固方案可行，能滿足橋梁安全運營要求。

［1］曾自愚.鐵路橋梁淺基礎沖刷的加固研究［D］.長沙:中南大學，2006.

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