劉家慶，李昌鋒

(1.廣西浦信高速公路有限公司，廣西 南寧 530000；2.廣西桂通工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530028)

0 引言

梁橋和拱橋上常用的重力式橋臺(tái)為U型橋臺(tái)，臺(tái)身由前墻和兩個(gè)側(cè)墻構(gòu)成U字形結(jié)構(gòu)，故稱為U型橋臺(tái)。U型橋臺(tái)主要靠自身重量來(lái)平衡外力，所以臺(tái)身厚重，一般用混凝土或片、塊石砌筑。得益于結(jié)構(gòu)的良好整體性，以及充足的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，而且構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工便利，U型橋臺(tái)成為目前公路橋梁最常見(jiàn)的橋臺(tái)形式。U型橋臺(tái)地基承載應(yīng)力均勻，外觀簡(jiǎn)潔，在我國(guó)被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)良好的中、小橋。由于設(shè)計(jì)考慮不周和施工方法不當(dāng)?shù)仍?，工程?shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)橋臺(tái)臺(tái)身或臺(tái)內(nèi)路面的開(kāi)裂、側(cè)墻傾斜外移、前墻發(fā)生裂縫、錐坡沉陷坍塌、橋臺(tái)基礎(chǔ)被掏空等病害，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法使用。

本文針對(duì)U型橋臺(tái)裂縫病害，從裂縫外在形態(tài)特點(diǎn)出發(fā)分析病害產(chǎn)生的原因，并進(jìn)一步展開(kāi)了相應(yīng)的加固處治對(duì)策研究。

1 U型橋臺(tái)常見(jiàn)裂縫病害特點(diǎn)

U型橋臺(tái)裂縫按其產(chǎn)生原因可以分為兩大類：非結(jié)構(gòu)受力裂縫；結(jié)構(gòu)受力裂縫。

1.1 非結(jié)構(gòu)受力裂縫

此類裂縫主要是由混凝土收縮引起，通常呈現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫分布，裂縫分布位置、長(zhǎng)短沒(méi)有規(guī)律，常見(jiàn)分布于橋臺(tái)前墻、側(cè)墻。非結(jié)構(gòu)受力裂縫要通過(guò)檢測(cè)儀器才能量測(cè)，這種裂縫分布不規(guī)則，對(duì)結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)安全影響不大，但影響外觀質(zhì)量以及耐久性。

1.2 結(jié)構(gòu)受力裂縫

結(jié)構(gòu)受力裂縫根據(jù)裂縫部位不同可分為橋臺(tái)前墻豎向裂縫、橫向裂縫、斜向裂縫，側(cè)墻斜向裂縫、豎向裂縫，背墻橫向裂縫、豎向裂縫、斜向裂縫，前墻和側(cè)墻貫通的斜向裂縫。下面對(duì)裂縫產(chǎn)生部位及方向分別進(jìn)行歸納闡述。

1.2.1 前墻豎向裂縫

橋臺(tái)前墻豎向裂縫通常從基礎(chǔ)底部往上發(fā)展，多數(shù)裂縫貫通整個(gè)橋臺(tái)，裂縫較寬，呈現(xiàn)下寬上窄分布特點(diǎn)，同時(shí)伴隨有錯(cuò)臺(tái)趨勢(shì)，地基有不均勻沉降跡象，對(duì)于表面封閉過(guò)的豎向裂縫，往往會(huì)重新開(kāi)裂。

1.2.2 前墻橫向、斜向裂縫

橋臺(tái)前墻橫向、斜向裂縫多見(jiàn)于前墻頂部，距離臺(tái)帽0～2 m范圍不等，橫向分布長(zhǎng)度不一，基本延伸至橋臺(tái)邊緣，伴隨有破碎、斷裂跡象，有錯(cuò)臺(tái)趨勢(shì)，敲擊裂縫以上部位，聲音較沉，形成斷裂塊。

1.2.3 側(cè)墻斜向裂縫

橋臺(tái)側(cè)墻斜向裂縫為U型橋臺(tái)較為常見(jiàn)的裂縫病害，多數(shù)橋臺(tái)存在此類病害，根據(jù)病害嚴(yán)重程度不同，裂縫長(zhǎng)短不一。裂縫多數(shù)從臺(tái)帽處展開(kāi)，向下延伸，裂縫寬度呈現(xiàn)上寬下窄。根據(jù)病害產(chǎn)生的原因不同，裂縫延伸方向有向后延伸和向前延伸，向前延伸的裂縫多數(shù)開(kāi)展至前墻或接近前墻，向后延伸裂縫基本順著前墻與側(cè)墻交界處發(fā)展。

1.2.4 側(cè)墻豎向裂縫

橋臺(tái)側(cè)墻豎向裂縫基本是從頂部發(fā)展，位于背墻交界處往臺(tái)后部分，呈現(xiàn)上寬下窄的裂縫寬度特點(diǎn)，多數(shù)有滲水痕跡，裂縫寬度較大，超過(guò)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11-2004)規(guī)定的縫寬限值[1](0.3 mm)。

1.2.5 背墻裂縫

橋臺(tái)背墻橫向裂縫一般較寬，能達(dá)到厘米級(jí)，裂縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)，基本位于同一高度分布，形成斷裂塊，裂縫伴隨有滲水跡象，多見(jiàn)于高背墻結(jié)構(gòu)。背墻斜向裂縫多見(jiàn)于背墻端部，位于前側(cè)或者外側(cè)，裂縫寬度較大，超過(guò)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11-2004)規(guī)定的縫寬限值(0.3 mm)。背墻豎向裂縫多數(shù)位于外側(cè)，裂縫寬度較大，達(dá)到厘米級(jí)，縫寬超限。

1.2.6 綜合性裂縫

橋臺(tái)綜合性裂縫產(chǎn)生于多個(gè)結(jié)構(gòu)相互連通，或者同一構(gòu)件存在多種裂縫交錯(cuò)，如前墻橫向裂縫與斜向裂縫連通，前墻裂縫與側(cè)墻裂縫連通，背墻裂縫與側(cè)墻裂縫貫通。此類裂縫寬度較大，基本達(dá)到厘米級(jí)，連通裂縫致使橋臺(tái)形成斷裂塊，嚴(yán)重影響橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的使用。

2 U型橋臺(tái)常見(jiàn)裂縫成因分析

造成U型橋臺(tái)產(chǎn)生裂縫的原因較多，包括材料本身特性、施工、設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)外非對(duì)稱荷載作用等，不同類型的裂縫產(chǎn)生原因不一樣?，F(xiàn)根據(jù)不同裂縫類型對(duì)其產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。

2.1 非結(jié)構(gòu)受力裂縫成因分析

此類裂縫多數(shù)形成于施工初期，重力式U型混凝土橋臺(tái)屬于大體積混凝土澆筑范疇，水化熱聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易消失。對(duì)設(shè)計(jì)而言需要有必要的防裂構(gòu)造鋼筋，對(duì)施工而言，如果混凝土養(yǎng)生不到位，沒(méi)有采取分層澆筑、摻入合理的添加劑等控制大體積水化熱的措施，那么在混凝土收縮作用下，在混凝土表面會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫，屬于非結(jié)構(gòu)受力。對(duì)于向陽(yáng)面的側(cè)墻，由于熱脹冷縮，在溫度梯度作用下結(jié)構(gòu)自身不均勻收縮膨脹變形也會(huì)導(dǎo)致表面產(chǎn)生不規(guī)則的網(wǎng)狀裂縫[2]。

2.2 結(jié)構(gòu)受力裂縫成因分析

2.2.1 前墻豎向貫通裂縫

前墻豎向貫通裂縫主要是由于基礎(chǔ)地基產(chǎn)生不均勻沉降，基礎(chǔ)底面受力不均勻，產(chǎn)生過(guò)大的拉應(yīng)力，致使橋臺(tái)前墻開(kāi)裂。

2.2.2 前墻橫向、斜向裂縫

前墻橫向、斜向裂縫往往伴隨有混凝土破碎，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，用錘敲擊混凝土塊，在裂縫邊緣混凝土較破碎，敲擊遠(yuǎn)離裂縫區(qū)，能聽(tīng)到沉悶的聲音，鑿除裂縫邊緣混凝土，能發(fā)現(xiàn)混凝土塊形成斷裂面。產(chǎn)生此類裂縫的原因是混凝土澆筑質(zhì)量較差，在車輛荷載沖擊下前墻不斷開(kāi)裂并形成斷裂塊。

2.2.3 側(cè)墻裂縫

側(cè)墻斜向裂縫根據(jù)其延伸方向不同，可推斷其產(chǎn)生的原因不同。對(duì)于向前墻延伸的斜向裂縫，主要也是由于混凝土澆筑質(zhì)量較差引起。對(duì)于向臺(tái)后延伸的斜向裂縫，其產(chǎn)生原因有兩方面：(1)臺(tái)后填土采用黏性土，土質(zhì)較差，臺(tái)后路面開(kāi)裂后雨水滲入臺(tái)后填料，臺(tái)內(nèi)排水不暢，積水導(dǎo)致臺(tái)腔內(nèi)填土強(qiáng)度指標(biāo)降低，內(nèi)摩擦角減小，從而使作用在臺(tái)身的主動(dòng)土壓力增大，導(dǎo)致橋臺(tái)開(kāi)裂[3]；(2)部分橋臺(tái)臺(tái)后路面下沉，臺(tái)后路面的不平整引起橋臺(tái)處車輛跳車，對(duì)臺(tái)帽產(chǎn)生較大的沖擊力，導(dǎo)致橋臺(tái)側(cè)墻產(chǎn)生裂縫。

2.2.4 背墻橫向裂縫

背墻橫向裂縫多產(chǎn)生于高背墻結(jié)構(gòu)，對(duì)于上構(gòu)采用T梁的橋臺(tái)，由于梁高較高，背墻相應(yīng)也較高，如果背墻設(shè)計(jì)仍然采用與普通背墻一樣的配筋，勢(shì)必難以滿足要求，若伸縮縫存在高差，在車輛沖擊作用下，背墻很容易開(kāi)裂。

2.2.5 綜合性裂縫

橋臺(tái)綜合性裂縫產(chǎn)生原因較為復(fù)雜，存在前面幾種因素的一種或幾種，需要根據(jù)具體裂縫特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析。

3 U型橋臺(tái)加固對(duì)策

分析上述現(xiàn)象中裂縫產(chǎn)生的原因，對(duì)U型橋臺(tái)產(chǎn)生的裂縫，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的原因進(jìn)行分類處置。

3.1 砂漿涂抹、灌注等預(yù)防、維護(hù)性修補(bǔ)

這種處理方法主要是針對(duì)非結(jié)構(gòu)裂縫及結(jié)構(gòu)裂縫的輔助綜合處理，用于提高結(jié)構(gòu)物外觀質(zhì)量和耐久性，防止雨水滲漏及二氧化碳腐蝕。

3.2 增強(qiáng)地基承載力

因基礎(chǔ)地基不均勻沉降引起的裂縫，應(yīng)當(dāng)以增強(qiáng)地基承載力作為首要目標(biāo)，可以采用換填、擴(kuò)基、高壓旋噴或基礎(chǔ)注漿法。為不中斷交通，在工程實(shí)踐中多采用注漿法，通過(guò)滲透、填充、置換、擠密等一系列流程，達(dá)到增強(qiáng)地基承載力的目的。

3.3 灌漿處理法

對(duì)于車輛的循環(huán)動(dòng)荷載作用以及之前施工未分層壓實(shí)等原因造成的橋臺(tái)下沉，會(huì)導(dǎo)致橋臺(tái)跳車以及嚴(yán)重的路面開(kāi)裂，這一方面會(huì)因橋臺(tái)跳車等動(dòng)力作用加強(qiáng)對(duì)臺(tái)帽等局部結(jié)構(gòu)的破壞，另一方面會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致滲入臺(tái)后的雨水無(wú)法及時(shí)排出，增大了側(cè)墻的土壓力，產(chǎn)生非對(duì)稱荷載，導(dǎo)致橋臺(tái)側(cè)墻開(kāi)裂。

處理此類裂縫處理的思路，可以從解決水的滲入和臺(tái)后沉降，增強(qiáng)臺(tái)身整體性等方面出發(fā)。(1)采用高壓灌注環(huán)氧砂漿修復(fù)側(cè)墻裂縫并灌漿，增加填料的密實(shí)度，對(duì)于淺層的灌漿還可以起到消除沉降差的作用；(2)在前墻底部附近增設(shè)帶反濾層的排水孔疏導(dǎo)滲水，路肩附近臺(tái)后填土布設(shè)排水通道；(3)在兩側(cè)墻間對(duì)穿預(yù)應(yīng)力鋼筋或鋼筋束錨固側(cè)墻從而達(dá)到增強(qiáng)橋臺(tái)整體性的目的；(4)修補(bǔ)臺(tái)帽局部破損和破損路面以封堵滲水源頭。

3.4 植筋拉桿錨固

對(duì)于臺(tái)帽等因伸縮縫引起的橋臺(tái)跳車或混凝土施工強(qiáng)度不足等引起的局部裂縫，可以采用植筋加格構(gòu)梁對(duì)穿預(yù)應(yīng)力拉桿錨固的加固方案，同時(shí)還可以考慮采用無(wú)縫橋梁方案，從根本上減少甚至解決車輛荷載通過(guò)伸縮縫時(shí)的震動(dòng)荷載。

3.5 粘貼鋼板加固

對(duì)于橋臺(tái)側(cè)墻存在輕微斜向裂縫而未形成斷裂塊的病害，可以采用粘貼鋼板，同時(shí)植入錨桿加固，對(duì)錨桿施加一定的預(yù)壓力，以抑制側(cè)墻斜向裂縫的發(fā)展，同時(shí)對(duì)橋臺(tái)側(cè)墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，提高其承載力。

3.6 其他方法

目前重力式橋臺(tái)的其他加固方法主要有倒角法、預(yù)留縫法、鋼筋混凝土圈梁法、前墻背后增設(shè)扶臂肋墻、前墻設(shè)置注漿錨桿、增大截面法等，而復(fù)合碳纖維加固U型高橋臺(tái)還處于研究階段。

4 工程應(yīng)用案例

4.1 工程概況

某建成于2004年的一座4跨先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，上部結(jié)構(gòu)為3孔30 m預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁及1孔20 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心梁，橋臺(tái)為重力式U型橋臺(tái)采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，中間橋墩為雙柱式墩采用明挖樁基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)后，2014年檢測(cè)發(fā)現(xiàn)左幅0#橋臺(tái)側(cè)墻存在1道斜向裂縫，從臺(tái)帽下緣距離前墻1.66 m處往前墻延伸，裂縫長(zhǎng)2.42 m，寬0.3 mm。2016年檢測(cè)發(fā)現(xiàn)斜向裂縫有發(fā)展趨勢(shì)，影響橋臺(tái)結(jié)構(gòu)安全，于2016年對(duì)該橋臺(tái)進(jìn)行加固。側(cè)墻裂縫病害如圖1、圖2所示。

4.2 橋臺(tái)裂縫原因分析及加固

根據(jù)上述分析及現(xiàn)場(chǎng)勘查的情況，裂縫發(fā)生部位是側(cè)墻，向前墻斜向發(fā)展，因路面狀態(tài)較好，從路面處雨水滲入量小，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量臺(tái)后沉降較小，行車平順，且經(jīng)核查建設(shè)檔案資料，臺(tái)背回填良好，由此可以判斷，主要原因?yàn)槠錆仓|(zhì)量欠缺，故混凝土耐久性不足，整體剛度下降，導(dǎo)致側(cè)墻裂縫持續(xù)發(fā)展。

圖1 橋臺(tái)側(cè)墻斜向裂縫示意圖(單位：cm)

圖2 橋臺(tái)側(cè)墻斜向裂縫現(xiàn)場(chǎng)圖

為了不影響橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全使用，控制側(cè)墻裂縫進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)左幅0#橋臺(tái)側(cè)墻采用粘貼鋼板加固，同時(shí)植入樹(shù)脂錨桿。因側(cè)墻開(kāi)裂不排除此前滲水從此裂縫處進(jìn)入，且原設(shè)計(jì)泄水考慮不足，故在橋臺(tái)前墻底部預(yù)防性增設(shè)泄水孔。橫向鋼板從側(cè)墻繞到前墻，在轉(zhuǎn)角處彎折，在裂縫范圍內(nèi)粘貼4塊橫向鋼板，鋼板間距60 cm，寬40 cm，厚8 mm。同時(shí)在橫向鋼板外側(cè)加豎向鋼板作為壓條，鋼板間距60 cm，寬40 cm，厚8 mm，在橫向鋼板之間的縫隙加墊鋼板。在橫向鋼板和豎向鋼板交接處植入樹(shù)脂錨桿，錨桿采用JL25精軋螺紋鋼筋，在鋼板其余部位植入M12螺栓，將橫向鋼板、豎向鋼板和橋臺(tái)有效連接，形成整體，共同受力。橋臺(tái)加固如圖3、圖4所示。

圖3 粘貼鋼板加固示意圖

圖4 粘貼鋼板加固現(xiàn)場(chǎng)施工圖

4.3 橋臺(tái)加固效果

橋臺(tái)加固后，至今未見(jiàn)橋臺(tái)側(cè)墻裂縫再發(fā)展，加固效果良好，加固后現(xiàn)狀見(jiàn)圖5。

圖5 橋臺(tái)加固現(xiàn)場(chǎng)效果圖

5 結(jié)語(yǔ)

(1)U型橋臺(tái)裂縫按其產(chǎn)生原因可以分為兩大類：一類是非結(jié)構(gòu)受力裂縫，另一類是結(jié)構(gòu)受力裂縫。

(2)非結(jié)構(gòu)受力裂縫產(chǎn)生的直接原因是大體積混凝土施工的水化熱和陽(yáng)光照射不均的溫度梯度，設(shè)計(jì)上沒(méi)有布設(shè)或布設(shè)抗裂構(gòu)造鋼筋不充分。

(3)不同部位和發(fā)展方向的結(jié)構(gòu)性裂縫經(jīng)過(guò)裂縫外觀分析可以得出：

橋臺(tái)前墻豎向貫通裂縫通常主要是由于地基不均勻沉降產(chǎn)生；

前墻橫向、斜向裂縫是由于混凝土澆筑質(zhì)量較差，車輛沖擊作用引起；

側(cè)墻裂縫產(chǎn)生的原因有側(cè)墻混凝土澆筑質(zhì)量較差，臺(tái)后填土質(zhì)量較差，臺(tái)后排水不暢，臺(tái)后路面下沉、伸縮縫存在高差引起的車輛沖擊作用等；

背墻橫向裂縫主要是由于伸縮縫存在高差，車輛沖擊引起。

(4)根據(jù)U型橋臺(tái)常見(jiàn)裂縫成因，裂縫處置方法也應(yīng)具體問(wèn)題具體分析，從增強(qiáng)地基承載力，重建防排水通道體系，改善臺(tái)后填筑質(zhì)量，通過(guò)布設(shè)預(yù)應(yīng)力錨固體系、使用高強(qiáng)新材料或者增大截面面積增強(qiáng)臺(tái)身的整體性、剛度，以及重新改造橋面系等方面入手，予以綜合性的處置。

(5)案例分析表明植筋拉桿錨固可以有效地減小橋臺(tái)受力和位移效應(yīng)，可因地制宜采用。

U型橋臺(tái)在施工中裂縫成因多樣，隨著技術(shù)的發(fā)展，裂縫的控制研究涉及多學(xué)科交叉，需要工程技術(shù)人員在施工中不斷摸索，不斷總結(jié)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新工藝、新方法。

[1]JTG H11-2004，公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范[S].

[2]劉建雄，吳美君.豎向開(kāi)裂U型橋臺(tái)加固方案探索與應(yīng)用[J].湖南交通科技，2012(9)：96-99.

[3]李洪峰，陳世英，宗道明.大體積混凝土U型橋臺(tái)裂縫的處理和防治[J].青海交通科技，2004(6)：28-30.