邱體軍， 崔方勝

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

軟土地質(zhì)條件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響

邱體軍， 崔方勝

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

軟土由于其土體結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，給結(jié)構(gòu)工程帶來(lái)諸多問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾著人們。通過(guò)工程實(shí)例進(jìn)行分析總結(jié)，將有助于提高人們對(duì)軟土特性的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，有助于提高同種條件下橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性和對(duì)該類病害的防治。

軟土；蠕動(dòng)變形；樁基偏位；病害分析

0 引 言

安徽省是中國(guó)東部擁江近海的內(nèi)陸省份，坐擁淮河、長(zhǎng)江、新安江三大流域，形成淮北、江淮、江南多元的地域特征。全省范圍內(nèi)軟土分布區(qū)域較廣，主要集中在長(zhǎng)江下游沿江地段。軟土由于其土體結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，給結(jié)構(gòu)工程帶來(lái)諸多問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾著人們。

對(duì)軟土地質(zhì)條件下橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的病害進(jìn)行分析總結(jié)，將有助于提高人們對(duì)軟土特性的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，有助于提高同種條件下橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性和對(duì)該類病害的防治[1]。

1 軟土的特性

軟土主要是由天然含水量大、壓縮性高、承載能力低的淤泥沉積物及少量腐殖質(zhì)所組成的土[2-4]。

1.1 高含水量和高孔隙比

軟土的天然含水量一般為50%～70%，最大甚至超過(guò)200%。天然孔隙比在1～2之間，最大達(dá)3～4。軟土的如此高含水量和高孔隙比特征是決定其壓縮性和抗剪強(qiáng)度的重要因素。

1.2 滲透性弱

軟土的滲透系數(shù)一般在1×10-4～1×10-8cm/s之間，由于土層中夾有數(shù)量不等的薄層或極薄層粉、細(xì)砂、粉土等，故在水平方向的滲透性較垂直方向要大得多。

由于該類土滲透系數(shù)小、含水量大且飽和狀態(tài)，這不但延緩其土體的固結(jié)過(guò)程，而且在加荷初期，常易出現(xiàn)較高的孔隙水壓力，對(duì)地基強(qiáng)度有顯著影響。

1.3 壓縮性高

軟土均屬高壓縮性土，其壓縮系數(shù)a=0.1～0.2,一般為0.7～1.5 MPa-1，它隨著土的液限和天然含水量的增大而增高。由于土質(zhì)本身的因素而言，該類土在荷載作用下的變形有變形大而不均勻和變形穩(wěn)定歷時(shí)長(zhǎng)兩個(gè)特征。

1.4 抗剪強(qiáng)度低

軟土的抗剪強(qiáng)度小且與加荷速度及排水固結(jié)條件密切相關(guān)，不排水三軸快剪所得抗剪強(qiáng)度值很小，且與其側(cè)壓力大小無(wú)關(guān)。排水條件下的抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)程度的增加而增大[5]。

1.5 較顯著的觸變性和蠕變形

軟土地質(zhì)的這些特性，使得理論上很難準(zhǔn)確地模擬其實(shí)際物理特性。同時(shí)，在施工擾動(dòng)、周圍環(huán)境的影響下，設(shè)計(jì)與施工也存在不同程度的偏差，致使結(jié)構(gòu)的受荷情況與設(shè)計(jì)的假定條件很難一致，這是軟土地質(zhì)條件下橋梁結(jié)構(gòu)安全控制的復(fù)雜之處。

2 工程實(shí)例

以一座跨閘公路橋施工過(guò)程中產(chǎn)生的病害為例，談?wù)勡浲恋刭|(zhì)條件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響。

2.1 場(chǎng)地地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，橋位處地層自上而下依次為：素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂、角礫、強(qiáng)風(fēng)化礫巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖[6]。土層分布見(jiàn)表1所列。

表1 橋位處地質(zhì)情況 m

2.2 項(xiàng)目概況

跨閘公路橋上部結(jié)構(gòu)采用18 m現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁及32 m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁，現(xiàn)澆箱梁梁高1.7 m，頂板寬10 m，底板寬6 m，橋面寬度為8 m(行車道)+2×1 m(人行道)，全寬10 m。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用雙柱式橋墩，樁基直徑采用1.6 m和1.8 m，墩柱直徑1.4 m和1.5 m，設(shè)計(jì)平均樁長(zhǎng)60 m，經(jīng)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土、砂礫石層進(jìn)入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖[7]。

橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面，如圖1所示。

圖1 橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

為滿足橋下通航凈高的要求，加上場(chǎng)地受長(zhǎng)江大堤、節(jié)制閘、老船閘等永久性建筑物的限制，橋梁以近似U型的線形與節(jié)制閘橋和大堤相接，橋梁第10跨橫跨上游導(dǎo)航墻。

為了保證地方道路的暢通，工程建設(shè)采用先修建公路橋，使其與兩側(cè)的道路銜接起來(lái)，再修建船閘。

橋位平面布置圖，如圖2所示。

橋梁上、下部結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行船閘基坑的開(kāi)挖工作。大堤頂面與船閘基底高差約14 m，現(xiàn)場(chǎng)采用自然放坡的方式進(jìn)行基坑開(kāi)挖。在閘室開(kāi)挖施工過(guò)程中，橋位處的大堤邊坡土體發(fā)生蠕變，坡面局部有鼓曲現(xiàn)象，坡頂料場(chǎng)地面出現(xiàn)裂縫，使位于基坑周邊的公路橋橋墩尤其是第五聯(lián)橋墩因土體變形產(chǎn)生了較大的偏位，并引起梁體偏移，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全帶來(lái)了較大影響。

圖2 橋位平面布置圖

2.3 主要病害

(1) 第4、5聯(lián)橋梁樁基向基坑側(cè)發(fā)生較大偏位，偏位值12.3～26.8 cm。

(2) 橋墩下系梁出現(xiàn)明顯豎向裂縫。

(3) 由于上部箱梁已施工完畢，加上支座的嵌固作用，個(gè)別橋墩墩頂支座上下鋼板相對(duì)偏位值達(dá)10 cm。

3 病害原因分析

現(xiàn)場(chǎng)病害發(fā)生后，建設(shè)單位高度重視，多次聯(lián)合設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理單位邀請(qǐng)省內(nèi)外相關(guān)專家和學(xué)者參與病害原因分析和研討。大家一致認(rèn)為在軟土地質(zhì)條件下通過(guò)理論計(jì)算分析樁土共同作用難度較大，現(xiàn)有規(guī)范對(duì)軟土各項(xiàng)指標(biāo)的選取規(guī)定彈性較大，計(jì)算人員很難把握；橋梁規(guī)范推薦的“m”法僅適用于土體變形較小的情況，即樁周土處于彈性狀態(tài)，而本工程中的橋樁變位較大，部分土體完全進(jìn)入塑性狀態(tài)，計(jì)算時(shí)需對(duì)土體剛度進(jìn)行折減以模擬其實(shí)際工作狀態(tài)[8]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)病害發(fā)生的過(guò)程及病害特征，分析得知主要有以下幾方面的原因：

(1) 軟土的特性：工程區(qū)淤泥質(zhì)軟土自地面向下分布，厚度在25 m以上，該土層強(qiáng)度低，含水率達(dá)40%，空隙比大于1，液限指數(shù)大于1，壓縮性高，流塑狀，承載力小，土體靈敏度3～5，具有觸變性。

現(xiàn)場(chǎng)基坑深度大于10 m，軟土深度超過(guò)30 m。從土層特性及基坑邊坡變形特征分析，地基受荷載變化和施工擾動(dòng)造成土體蠕變，受擾動(dòng)土體強(qiáng)度降低，引起邊坡土體向臨空面方向的蠕變，從而帶動(dòng)橋樁變位，是造成橋墩變形的主要原因[9]。

(2) 施工順序不合理：橋位區(qū)軟土厚度較厚，受地方交通、施工進(jìn)度等影響，采用先橋后閘的順序施工，橋梁施工完成后再進(jìn)行基坑開(kāi)挖，施工期間又未對(duì)橋墩采取有效的保護(hù)措施。橋梁的存在對(duì)基坑開(kāi)挖引起的土體變形提出更為苛刻的要求，這是工程施工難以做到的。

(3) 施工過(guò)程產(chǎn)生附加荷載：第4、5聯(lián)橋左側(cè)料場(chǎng)的設(shè)置加大了橋梁兩側(cè)不平衡荷載。施工便道緊鄰橋梁的設(shè)置增加了施工機(jī)械對(duì)土體的擾動(dòng)。

(4) 橋墩采用單排樁設(shè)計(jì)：在基坑深度如此大的情況下單排樁整體抗變形能力有限[10]。

4 加固處理措施

在保證橋梁狀況不再惡化的前提下，現(xiàn)場(chǎng)做了大量工作才使得船閘工程得以順利實(shí)施。船閘施工結(jié)束后，通過(guò)鉆孔全孔壁成像檢測(cè)技術(shù)對(duì)偏移量較大的幾根樁基進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示樁基開(kāi)裂斷面位于樁頂14 m以下。

根據(jù)成橋狀態(tài)下樁基受力情況分析，橋墩在縱向力(汽車制動(dòng)力、溫度力等)作用下，樁基土中最大彎矩出現(xiàn)在地面以下4～6 m處，在12～15 m左右彎矩遞減為0。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果結(jié)合計(jì)算分析，認(rèn)為橋梁在閘室墻土方回填完成后，兩邊不存在不平衡荷載的情況下，樁基豎向承載力能滿足后期使用要求，并針對(duì)公路橋存在的病害采取以下處理措施：

(1) 對(duì)系梁處裂縫灌膠封閉處理。

(2) 對(duì)樁基偏位值大于10 cm的橋墩，采用壓力注漿對(duì)橋墩周邊土進(jìn)行處理，注漿孔深度15 m[8]。

(3) 第4、5聯(lián)在基坑側(cè)距老橋邊緣5 m處新建一條頂寬5 m的反壓坡道，坡道采用黏土壓實(shí)。

(4) 對(duì)支座上下鋼板相對(duì)偏位值大于10 cm的橋墩，通過(guò)灌注支座灌漿料增設(shè)輔助支座。

(5) 第4、5聯(lián)橋墩四周5 m范圍回填土采用8%石灰土進(jìn)行換填，換填深度1.5 m。

(6) 加強(qiáng)橋面現(xiàn)澆層鋼筋配置，施工橋面系。

經(jīng)處理后橋梁已正式通車多年，運(yùn)營(yíng)情況良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于軟土地質(zhì)特性的緣故，軟土地基橋梁病害發(fā)生、發(fā)展的可預(yù)見(jiàn)性較差，且病因較復(fù)雜，這增加了結(jié)構(gòu)安全和耐久性問(wèn)題解決的難度，然而，盡管實(shí)際工程的情況各不相同，同一類橋梁病害還是具有一定的共同特點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)同一類病害的分析總結(jié)，能不斷完善設(shè)計(jì)，有效控制病害的發(fā)生。希望通過(guò)本文的論述，大家能對(duì)軟土地質(zhì)條件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，在以后的工作中注意預(yù)防和避免。結(jié)合該工程病害發(fā)生的過(guò)程和處理結(jié)果，從設(shè)計(jì)的角度總結(jié)幾點(diǎn)供大家參考：

(1) 橋梁布跨時(shí)，應(yīng)有意識(shí)地增加橋長(zhǎng)將橋臺(tái)后移，降低臺(tái)后填土高度[11-12]。

(2) 橋位處軟土深度超過(guò)25 m時(shí)，橋梁下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式應(yīng)優(yōu)先選擇群樁基礎(chǔ)。

(3) 軟土地區(qū)如相鄰位置有其他交叉工程，須遵循先深后淺的基本施工順序。

(4) 橋位區(qū)施工時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地基及結(jié)構(gòu)物的后期觀測(cè)，尤其注意變形觀測(cè)，對(duì)有可能產(chǎn)生蠕動(dòng)變形的地質(zhì)更要加以注意。

(5) 跨閘公路橋建設(shè)工地，在軟土分布較深的情況下，建議橋梁主體結(jié)構(gòu)在船閘閘室墻后回填土完成之后實(shí)施。

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2016-08-08

邱體軍(1983-)，男，安徽六安人，安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司高級(jí)工程師．

U448.215

A

1673-5781(2016)04-0517-03