尚 剛， 高澤宇

(1. 安陽西北繞城高速公路有限公司， 河南 安陽 455000； 2. 湖北工業(yè)大學 土木建筑與環(huán)境學院， 湖北 武漢 430068)

截止到2017年底，全國公路橋梁已達83.25萬座，其中中小型橋梁占比高達88.42%[1]。由此可見,絕大多數橋梁均是中小型結構，而樁柱式橋臺由于施工方便，受力明確，構造處理簡單，以及造價相對低廉而成為這類橋梁的主要橋臺形式。

然而，工程實踐發(fā)現，雖然樁柱式橋臺具有諸多優(yōu)點，但其抗推剛度小，容易發(fā)生傾斜和樁(柱)開裂，承載力低等不利因素制約了其應用。許多既有樁柱式橋臺，由于臺后填土滑動、路堤加高、車輛沖擊作用、施工順序不當等，導致在施工或使用期間，樁(柱)身出現環(huán)向裂縫或傾斜(圖1)。針對以上問題，既有的解決方案大多采取基樁注漿或錨定加固法。雖然這些方法均能在一定程度上提高基樁承載力和穩(wěn)定性，但是由于前者主要靠改善樁周摩擦力來提高基樁承載力，橋臺抗推剛度幾乎未得到改善；后者較大程度上提高了橋臺抗推剛度，但是基樁承載力并未提高，且這種加固方式容易受到臺后路堤填土土質和密實度影響，一旦路堤填土出現塌方或滑坡，這些加固方式可能失效。

圖1 土壓力下的樁柱傾斜、開裂

針對既有樁柱式橋臺加固方式的不足，國內外已開展了大量研究和工程實踐，如黃龍?zhí)锏萚2]針對江門潮連大橋樁柱式橋墩在被動土壓力下發(fā)生大量環(huán)向裂縫，根據裂縫分布規(guī)律和土壓力分析結果，在橋墩橫橋向增設新基樁，并用承臺與既有墩柱底部相連，替代原失效結構；通過建立不同邊坡坡度下的橋梁基樁試驗模型，文獻[3～5]深入探討了高陡橫坡下樁柱式橋梁雙樁基礎的破壞模式和承載機理，表明高填方橫陡坡樁柱內力分布規(guī)律與陡坡單樁及雙排抗滑樁差異顯著。軟土地基橋梁臺后擋土墻向河心側傾斜，導致樁柱式橋臺承受成倍增加的水平推力，進而產生嚴重病害，郭義飛[6]在分析病害機理和病害特點的基礎上，針對單跨橋梁結構，提出采用兩橋臺之間設置支撐梁，形成主梁和新增支撐梁的“口”字形結構抵擋臺后土壓力。但該方法只能適用于跨度10 m以下的單跨結構，且施工過程中不能大量開挖橋下河床，否則將可能導致病害瞬間惡化；文獻[7，8]探討了在地鐵和深基坑建設中的臨時支擋結構，這些研究成果對治理樁柱式橋臺結構具有重要的借鑒意義；李逸等[9]研究順層邊坡在地震下的穩(wěn)定性問題，研究成果對該地段橋梁墩臺穩(wěn)定性和病害防治具有重要提示作用。大量的既有研究和工程實踐較大程度上規(guī)避了樁柱式橋臺的不足，促進了其發(fā)展。然而，對于出現傾斜開裂的樁柱式橋臺，有效的加固措施仍顯匱乏，亟待研發(fā)加固效果顯著且便于實施的加固方法。

基于上述考慮和某樁柱式橋臺在施工期間的成功加固，研究提出了扶壁式桁架加固樁柱式橋臺新方法。該方法可以大幅度提高橋臺水平抗推剛度、承載力和穩(wěn)定性，且具有施工簡單和不影響外觀等優(yōu)點。

1 扶壁式桁架加固樁柱式橋臺

1.1 加固構思

樁柱式橋臺的顯著特點是構造簡單，傳力路徑明確，同時施工非常便利，無需對路堤大填大挖。然而，由于其抗推剛度較低，其典型病害往往是在車載和臺后土壓力作用下，土體形成向河心側滑動，造成橋臺前傾(圖2a)，從而導致樁(或柱)身開裂和失穩(wěn)，橋面伸縮縫擠壓、失效，且一旦基樁承載力降低，加固相對困難。這種現象在高填方路橋銜接段表現尤為突出，進而威脅橋梁安全。

為此，研發(fā)了扶壁式桁架結構加固樁柱式橋臺，該加固方式的構思是，在橋臺河心側一定距離處新增基樁(圖2b)，樁頂通過縱橫連梁、斜撐與原橋臺基樁連接，形成扶壁結構支撐原橋臺，新老結構共同構成桁架，可大幅度提高原橋臺抗推剛度、承載力和穩(wěn)定性。這種加固方式的另一個顯著特點是，剛度和基樁承載力提高幅度可以借助新老基樁的順橋向間距L、斜撐與樁柱的連接位置和新增基樁的長度H4(圖2b)方便地人為調控。

圖2 扶壁式桁架加固樁柱式橋臺

1.2 抗推剛度和承載力

(1)臺頂抗推剛度變化

為適應主梁伸縮，臺口一般設置滑動支座，略去伸縮縫的微小水平抗推作用，則樁柱式橋臺相當于底部彈性約束，上部自由的懸臂結構(圖3a)。以河床線之下的土層約束基樁考慮(為方便對比且不失一般性，可假定柱底即土層頂面處固結)，在臺頂單位力作用下該結構的水平抗推剛度為Kz為：

(1)

式中：EI為樁(柱)抗彎剛度；H1見圖2b。圖3d所示采用扶壁式桁架加固后的橋臺，其實質上已經轉變成類似肋板式橋臺結構了。假定斜撐頂部在墩頂，縱向聯梁設置在河床頂面，則加固后的橋臺臺頂單位力作用下的水平抗推剛度KH(約束條件同上，并略去斜撐的變形影響)為：

(2)

以H1=6 m，H2=2 m，H3=4 m，L=4 m(各符號含義見圖2b)，橋臺樁(柱)直徑為1.5 m，斜撐和連梁截面尺寸為0.8 m×0.8 m，采用C30混凝土，并假定柱底即土層頂面處固結，則樁頂單位力作用下，加固前后結構效應如圖3b，3c,3f，3g。

圖3 單位力作用下加固前后結構效應

由圖3可知，樁柱式橋臺扶壁式桁架加固前后，在單位力作用下，橋臺樁身最大彎矩由6.0 kN·m 降至2.0 kN·m，撓度由0.00996 mm降至0.00288 mm，彎矩和變形降幅分別高達66.7%和71.1%?？梢?，扶壁式桁架加固法對提高樁柱式橋臺剛度效果非常顯著。

(2)橋臺基樁承載力變化

假定新老基樁土層一致且單一，兩者樁徑相同，以鉆(挖)孔摩擦樁為例，忽略樁端土層承載力的貢獻，則橋臺基樁承載力與樁長呈線性變化：

(3)

式中：[Ra]為單樁軸向受壓承載力容許值(kN)；u為樁身周長(m)；n為土層數；li為承臺底面或局部沖刷線以下各層土的厚度(m)，擴孔部分不計；qik為與li對應的各層土與樁側的摩阻力標準值(kPa)。

由式(3)可見，基樁承載力提高系數與樁長呈正比。因此，為達到目標承載力，可通過調整新增基樁的長度H4實現。

2 扶壁式桁架的合理構造

雖然在橋臺河心側增設扶壁式結構，與樁柱式橋臺形成新的桁架結構可以大幅度增加橋臺抗推剛度和承載力。但是，新增的連梁、斜撐和基樁也不可隨意布置，否則不僅改變了原橋臺樁(柱)受力模式，且可能導致樁(柱)身局部應力過大，造成結構新的損傷。同時，若新增基樁的間距等參數布置不合理，除了影響臺前護坡設置外，也將可能導致連梁尤其是斜撐受力不利。因此，為獲得合適的扶壁桁架結構參數，即取得合理的斜撐與樁(柱)身連接點、新老基樁間距L等參數，需深入進行不同參數下的結構響應分析。

加固之后的橋臺，在土壓力作用下(以單位均布荷載作用于樁(柱)身，方向為水平向河心側)，隨著斜撐與樁(柱)結點位置H3和新老基樁間距L的變化，樁(柱)身及斜撐響應規(guī)律如圖4。

圖4 H3和L變化與樁(柱)身及斜撐響應

由圖4a，4b可見，隨著斜撐與樁(柱)結點位置降低，也即H3逐漸減小，樁(柱)頂變形不斷增加，樁(柱)身負彎矩(背河心受拉為負)隨之升高，樁(柱)身正彎矩及其對應的變形逐漸減弱。過大或過小的彎矩及其變形都是不可取的，因此合理的結構布置應該是兩者較為均勻分布的原則。當H3在0.6H1附近，也即斜撐與樁(柱)結點大約位于樁(柱)地面以上高度的0.6倍時，由圖4a可見，樁(柱)身正負彎矩兩條曲線在此范圍交叉，此時樁(柱)身正負彎矩均達到較小值，扶壁式桁架結構受力較為合理。

同樣，從圖4d不難發(fā)現，隨著新老基樁間距L的不斷減小，土壓力下樁(柱)頂部水平變形增大，即意味著扶壁式桁架結構的整體剛度逐漸降低，此時，斜撐彎矩略增大，軸力降低(圖4c)，則新增基樁的有效作用在削弱。理論上講，越大的基樁間距，可以獲得更佳的抗推剛度，但斜撐壓力也將增加，需要更大的截面尺寸獲得足夠的穩(wěn)定性，同時，基樁間距也要受控于規(guī)范所規(guī)定的最小間距要求。因此，綜合上述意見和工程實踐，建議新老基樁間距L介于2.5d～4.0d(d為基樁直徑)之間，可獲得各項力學指標的均衡。

3 工程實例

某3×10 m空心板橋，橋面寬度12.5 m，橋臺填土高度7.9 m(原地面至河床面高3 m，臺后道路路基填高4.9 m)，設計荷載公路-II級，墩臺均為樁柱式結構，樁徑1.1 m，柱徑1.0 m。

建設過程中，橋臺做好，主梁架設之前，施工單位就開始填筑臺后4.9 m高的填土，完成填土后，發(fā)現臺身向河心側傾斜多達5.9 cm(圖5a)。

圖5 某橋臺加固方案

上述問題出現后，施工單位立即停止施工，經深入分析，其病害原因為：(1)由于臺后路基填土較高，設計采用樁柱式橋臺并不合理，且樁徑偏小；(2)施工填土順序不正確，臺前臺后填土均應分層夯實，而實際施工關注臺后填土，忽略了臺前填土的同步和填筑質量，且最好在主梁架設后填筑。

由于橋臺前傾量較大，不僅臺身可能發(fā)生環(huán)向開裂，而且壓縮了臺口間隙影響主梁落梁，更重要的是，橋臺抗推剛度無法滿足實際需要，需采取綜合加固措施，方可確保結構安全和后期正常運營。為此，選擇在臺前增設扶壁式結構進行加固：首先開挖已經填筑的填土，讓基樁盡可能復位。之后，在原基樁對應的臺前，分別施工三根基樁，新老基樁間距為3.5 m，在原橋臺樁身植筋，采用斜撐和連梁將新老結構連成一體，最終形成桁式框架結構(圖5b，5c)，并在其上設置臺前護坡，施工完成后，橋梁外觀與原設計結構并無差異。經加固后，橋臺水平抗推剛度提高了71%，基樁承載力提高了26.3%。該橋已運營多年，橋面臺口伸縮縫未出現擠壓現象，表明橋臺未再繼續(xù)向河心側發(fā)生位移，運營狀況良好。

4 結 論

(1)基于樁柱式橋臺結構的缺點，扶壁式桁架結構是一種力學性能合理并經實踐證明有效的加固方法；

(2)加固后的結構抗推剛度和承載力相比原結構有大幅度提高，且可以人為控制預期增量；

(3)選擇合適的新老基樁間距L和斜撐與樁(柱)結點高度H3等參數，是確保扶壁式桁架結構有效發(fā)揮作用，避免結構出現新的損傷的重要保證。