劉建磊

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081)

橋梁的正常功能取決于上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，下部結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)也會影響上部結(jié)構(gòu)的安全和正常使用。然而由于自然因素或設(shè)計、施工不當(dāng)，導(dǎo)致橋梁下部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不符合規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求的各類病害現(xiàn)象，如基礎(chǔ)病害、橋墩病害、橋臺病害等。其中，基礎(chǔ)的下沉或不均勻沉降會直接導(dǎo)致橋梁墩臺的傾斜、扭轉(zhuǎn)或斷裂[1]。文獻(xiàn)[2]針對某既有線橋梁在上部荷載長期作用下橋墩產(chǎn)生沉降和傾斜的問題，考慮巖溶分布特征和地基承載特性，根據(jù)理論分析和數(shù)值計算進(jìn)行了加固設(shè)計。文獻(xiàn)[3-4]針對橋墩下沉或不均勻下沉案例，利用有限元建模分析了橋墩病害出現(xiàn)的原因。文獻(xiàn)[5]在總結(jié)國內(nèi)外偏載作用對橋梁樁基承載影響的基礎(chǔ)上，研究了堆載作用下既有橋梁群樁基礎(chǔ)承載特性。文獻(xiàn)[6]以隴西及隴東濕陷性黃土區(qū)域公路橋梁為工程背景，研究了基礎(chǔ)沉降對雙柱式橋墩內(nèi)力的影響。文獻(xiàn)[7]分析了黃土地區(qū)樁基礎(chǔ)不均勻沉降的原因，并對黃土溝谷地形橋梁樁基的沉降提出了控制措施。

本文以某出現(xiàn)沉降病害的新建公路橋墩基礎(chǔ)為例，采用現(xiàn)場調(diào)研、無損檢測評估與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，分析了病害的成因并進(jìn)行了加固。

1 工程概況

某公路橋全橋共2聯(lián)，第1聯(lián)為4×40 m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力T梁，第2聯(lián)為3×40 m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力T梁。第2聯(lián)橋墩編號為5＃墩至8＃墩，采用雙柱墩樁基礎(chǔ)。7＃墩樁基設(shè)計為摩擦樁，樁徑為2.0 m。7-0＃樁設(shè)計樁長50 m，7-1＃樁設(shè)計樁長51 m。樁頂系梁尺寸長寬高為7.2 m×1.5 m×1.8 m。樁頂墩柱直徑1.8 m，7-0柱高30.761 m，7-1柱高27.143 m。設(shè)計圖紙地質(zhì)勘查資料揭示，7＃墩地層為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，見圖1。

圖1 7＃墩概況及地質(zhì)狀況

該橋為新建橋梁，通車運(yùn)營前對橋梁外觀進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)7＃墩系梁頂部靠近7-1柱側(cè)存在最大寬度約6 mm的多條貫通橫向裂縫，裂縫沿系梁側(cè)面從頂部向底部斜向延伸，沿系梁高度接近貫通，裂縫形態(tài)呈倒“U”形，病害狀態(tài)較嚴(yán)重，見圖2。

本文以7＃橋墩為研究對象，采取現(xiàn)場調(diào)查、動剛度檢測、低應(yīng)變檢測結(jié)合仿真計算的方法對基礎(chǔ)病害進(jìn)行了評估分析。后期對墩柱帽梁病害的調(diào)查結(jié)果驗證了分析結(jié)論，為后續(xù)橋墩基礎(chǔ)加固處理提供了技術(shù)支持。評估方法也對同類型橋墩基礎(chǔ)的檢測評估提供借鑒。

圖2 系梁頂面裂縫狀態(tài)

2 現(xiàn)場檢測

2.1 系梁部位病害調(diào)查

在已發(fā)現(xiàn)病害的基礎(chǔ)上，為詳細(xì)了解系梁部位病害的狀態(tài)，繼續(xù)清理系梁底面及側(cè)面的填土。發(fā)現(xiàn)系梁在靠近7-0柱側(cè)位置底面存在最大寬度約2 mm的橫向貫通裂縫，裂縫從系梁底面向系梁頂面延伸，同時7-0＃樁在靠近系梁底面位置內(nèi)側(cè)存在6條環(huán)向裂縫，最大寬度0.3 mm。裂縫分布見圖3。

圖3 7＃墩系梁裂縫平面展開圖

根據(jù)裂縫現(xiàn)場調(diào)查情況，裂縫狀態(tài)為:①7-1＃樁側(cè)上寬下窄，從頂面向底面斜向擴(kuò)展，7-0＃樁側(cè)下寬上窄，裂縫從底面向頂面斜向擴(kuò)展；②裂縫在系梁側(cè)面近似對稱分布；③7-1＃樁側(cè)裂縫相對嚴(yán)重。根據(jù)裂縫形態(tài)，初步判斷系梁病害應(yīng)屬于兩基樁差異沉降引起，且7-0＃樁沉降較大。由于發(fā)現(xiàn)病害時，橋面尚未通車，基樁產(chǎn)生明顯沉降導(dǎo)致系梁嚴(yán)重開裂，應(yīng)屬于基樁承載力不足引起的問題。因此，需要對基樁的承載力相對狀態(tài)進(jìn)行評估。由于橋梁整體已竣工，且現(xiàn)有狀態(tài)采用靜壓的方式確定基樁的承載力可能會導(dǎo)致重大事故，因此，參照既有研究資料[8-9]，決定采用測試基樁動剛度來推算承載力的方法評估基樁相對承載力狀況。

2.2 基樁動剛度測試及承載力分析

機(jī)械阻抗法測試中，動剛度函數(shù)Kd(f)定義為

式中:F(f)為激振頻譜；v(f)為拾振點(diǎn)速度響應(yīng)頻譜；f為頻率；v(f)/F(f)表示速度導(dǎo)納。

當(dāng)作用在結(jié)構(gòu)上的動荷載頻率f→0時，動剛度值趨于靜剛度，即Kd→Ks。激振時由于動荷載頻率永遠(yuǎn)大于0，因此動剛度也總是大于靜剛度。通常，小于30 Hz的低頻段動剛度值相對穩(wěn)定，對應(yīng)低頻段速度導(dǎo)納曲線為一斜率恒定的直線[10]。

推算樁承載力Q的推算公式為

式中:Sa取值4 mm；η為動靜對比系數(shù)，取1.5。

動剛度測試時沖擊樁頂側(cè)面位置，在樁頂布置振動響應(yīng)測量裝置。實(shí)測7-0＃樁及7-1＃樁動剛度值，推算承載力與設(shè)計荷載對應(yīng)關(guān)系如表1。

表1 基樁承載力評估

根據(jù)推算結(jié)果，7-0＃樁承載力相對7-1＃樁低約23%；7-0＃樁承載力小于設(shè)計荷載，7-1＃樁承載力滿足設(shè)計荷載的要求。7-0＃樁承載力明顯不足，容易造成其在恒載作用下出現(xiàn)明顯沉降。為檢驗基樁沉降情況，在系梁頂布置水準(zhǔn)測點(diǎn)，如圖4所示，對7-0?；鶚杜c7-1＃基樁相對高程進(jìn)行測試，實(shí)測結(jié)果以4＃點(diǎn)為0，則各測點(diǎn)相對標(biāo)高為 1＃點(diǎn)-8.734 cm，2＃點(diǎn)-8.522 cm，3＃點(diǎn)-0.010 cm，5＃點(diǎn)-4.562 cm。

圖4 系梁高程測點(diǎn)示意

根據(jù)實(shí)測結(jié)果:7-0＃樁(左側(cè))相對7-1＃樁頂面高程低約8.63 cm。而施工記錄顯示系梁施工完成時上述7-0＃樁(左側(cè))相對7-1＃樁頂面高程低2.4 cm，據(jù)此推算7-0＃樁在系梁施工完成后的其他施工階段共相對7-1＃樁沉降6.23 cm。測試結(jié)果間接證明了7-0＃樁承載力上的不足。

2.3 基樁低應(yīng)變測試

采用低應(yīng)變法對基樁完整性進(jìn)行檢測，實(shí)測圖形見圖5。根據(jù)實(shí)測結(jié)果，7-0＃樁在樁身6.5 m和14 m附近存在明顯缺陷，7-1＃樁基本完整。樁身缺陷可能是樁身施工時產(chǎn)生，也有可能是后期沉降過大所引起。

圖5 低應(yīng)變法測波形

3 仿真分析及加固建議

3.1 仿真分析

根據(jù)7＃橋墩設(shè)計資料結(jié)合地質(zhì)資料，對7＃墩7-0＃樁沉降產(chǎn)生的影響建立有限元模型。帽梁、墩梁、系梁均采用梁單元模擬，樁土相互作用根據(jù) JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》按 m法考慮[11]。

計算時，對7-0＃樁施加6.2 cm強(qiáng)制位移，來分析基礎(chǔ)沉降產(chǎn)生的影響。計算結(jié)果顯示，系梁以上部分墩柱、系梁應(yīng)力水平較低，其拉應(yīng)力在0.5 MPa以下；系梁靠近7-1＃樁頂部位置拉應(yīng)力約5.5 MPa，系梁靠近7-0＃樁側(cè)底部位置拉應(yīng)力及7-0＃樁頂部位置拉應(yīng)力水平也超過混凝土抗拉強(qiáng)度。系梁及樁頂病害表現(xiàn)與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果一致。另外，計算結(jié)果表明，墩頂帽梁會產(chǎn)生22 cm的橫向位移，造成墩柱傾斜，鑒于此，對墩柱帽梁的橫向偏位情況進(jìn)行了檢測。

3.2 驗證調(diào)查

為驗證仿真分析結(jié)果，對墩柱進(jìn)行垂直度測試，同時對橋梁梁體、支座、墩柱進(jìn)行了外觀檢查。檢查結(jié)果顯示:帽梁、墩柱、梁體未見開裂；支座未見脫空。

垂直度測試結(jié)果顯示，橋墩頂縱向未見明顯偏位，墩頂相對墩底橫向偏位23.7 cm，這與計算結(jié)果基本一致。從梁體、支座狀態(tài)判斷，基礎(chǔ)沉降應(yīng)在梁體架設(shè)完成后澆筑整體化層、橫隔板前已出現(xiàn)?；A(chǔ)存在明顯承載力不足現(xiàn)象。

3.3 加固建議

根據(jù)7＃墩實(shí)際情況，需要對橋墩基礎(chǔ)作加固處理，建議的處理方案框架為:在原基礎(chǔ)周圍增加4根50 m長基樁，原樁做儲備；系梁位置頂部增設(shè)大承臺；墩柱加大截面，消除墩柱傾斜度不滿足要求的影響。圖6為根據(jù)筆者建議進(jìn)行加固，系梁改為大承臺后的狀況。

圖6 加固現(xiàn)場狀態(tài)

4 結(jié)語

橋墩基礎(chǔ)承載能力很難準(zhǔn)確計算，特別在地質(zhì)多變地區(qū)，基礎(chǔ)承載力可能與理論計算值存在較大差別。在靜載試驗數(shù)量受限的情況下，可通過動剛度方法對特殊情況下基礎(chǔ)進(jìn)行承載力評估。實(shí)踐證明該方法具有較高的可靠度。對于出現(xiàn)沉降病害的基礎(chǔ)甚至狀態(tài)不明、資料不詳?shù)睦吓f橋梁基礎(chǔ)，本文所采用的動剛度法判斷承載力狀態(tài)、低應(yīng)變法判斷樁身完整性并結(jié)合仿真計算分析的綜合方法具有一定的借鑒意義。