陳樹(shù)禮， 劉永前

(1.石家莊鐵道大學(xué) 大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，石家莊 050043;2. 河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050043)

洪水及其引起的沖刷是影響橋梁安全的重要因素，超過(guò)半數(shù)的水毀橋梁破壞均與洪水沖刷有關(guān)[1-2]。洪水沖刷橋梁基礎(chǔ)，將引起樁側(cè)土體和基礎(chǔ)埋深減少、橋梁整體剛度和承載能力降低及水流沖擊力增大等一系列問(wèn)題，進(jìn)而影響橋梁動(dòng)力性能變化，嚴(yán)重情況下可導(dǎo)致橋梁垮塌[3]，尤其是對(duì)于運(yùn)行25 t以上軸重的重載鐵路橋梁而言更為明顯。洪水沖刷對(duì)基礎(chǔ)埋深的改變將會(huì)直接對(duì)橋梁動(dòng)力特性和列車運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生巨大影響，因此，開(kāi)展洪水沖刷作用下的重載鐵路橋梁動(dòng)力性能試驗(yàn)和加固技術(shù)研究很有必要。

針對(duì)洪水沖刷引起的橋梁振動(dòng)問(wèn)題，很多學(xué)者都進(jìn)行了大量研究并取得豐富成果。其中，梁發(fā)云等[4]采用開(kāi)挖橋墩周圍土體模擬基礎(chǔ)沖刷的方法，完成了鐵路橋墩基礎(chǔ)沖刷對(duì)橋墩自振特性的理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究；梁發(fā)云等[5-9]采用理論分析、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法，系統(tǒng)分析了沖刷對(duì)橋墩單樁承載特性、自振頻率以及簡(jiǎn)支梁橋頻率特性的研究，探討了簡(jiǎn)支橋橋墩受沖刷后模態(tài)頻率的變化特性；李克冰等[10]開(kāi)展了考慮河流沖刷作用的車橋耦合系統(tǒng)動(dòng)力分析，完成了沖刷對(duì)車橋動(dòng)力響應(yīng)以及列車運(yùn)行安全性的仿真分析。方翔宇等[11-12]采用數(shù)值模擬分析方法，分別針對(duì)河流沖刷對(duì)鐵路走行安全性的影響及基礎(chǔ)沖刷對(duì)鐵路橋梁服役安全性能的影響進(jìn)行了深入研究。對(duì)于橋墩加固問(wèn)題，陳令坤、肖祥淋等[13-14]針對(duì)鐵路雙柱式橋墩，提出了多種橋墩加固方案并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析；而王國(guó)亮等[15-17]則對(duì)增補(bǔ)樁基法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并在多座橋梁上完成了工程應(yīng)用。既有研究主要集中在沖刷對(duì)橋梁穩(wěn)定影響的理論分析、模擬試驗(yàn)和增補(bǔ)樁基法在公路橋梁沖刷加固中的應(yīng)用方面，針對(duì)洪水沖刷作用下的重載鐵路橋墩動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)和加固技術(shù)的研究較少。

據(jù)此，本文以某重載鐵路為工程背景，針對(duì)采用淺埋式樁基礎(chǔ)的鐵路簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)，開(kāi)展洪水沖刷作用下的橋梁動(dòng)力性能試驗(yàn)，分析研究沖刷深度和列車速度對(duì)橋梁動(dòng)力響應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)適用于重載鐵路的橋墩加固技術(shù)并開(kāi)展實(shí)橋應(yīng)用研究，為以后類似工程加固提供借鑒。

1 工程概況

某重載鐵路特大橋?yàn)殡p線橋，線路主要運(yùn)行C64、C70和C80類型貨車，列車編組包括 5 000 t、10 000 t、20 000 t等多種形式，年運(yùn)量超過(guò)2億噸。大橋上部結(jié)構(gòu)為32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁，盆式橡膠支座，下部結(jié)構(gòu)為雙柱圓端形板式橋墩樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)均采用8根直徑為0.8 m的樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)12.0～17.0 m，其中8#墩、9#墩樁均為15.0 m，10#墩樁長(zhǎng)16.0 m，全橋墩高3.87～4.37 m。大橋上下行橋墩分離，但共用同一承臺(tái)基礎(chǔ)，承臺(tái)尺寸為8.40×4.00×2.00 m。圖1為橋墩結(jié)構(gòu)示意圖。

大橋于1999年9月建成，近年來(lái)常年干涸，表層砂風(fēng)化嚴(yán)重，已呈粉砂狀，周邊居民在橋梁兩側(cè)河道內(nèi)挖沙，造成橋址上下游河床縱坡加大，河床局部下切，河床發(fā)生較大變化，而橋下河沙堆積較為嚴(yán)重，橋下凈空低于3.0 m。2016年7月，由于連續(xù)多日強(qiáng)降雨和上游水庫(kù)泄洪，河道7#～10#墩之間短時(shí)洪水流量達(dá)到100 m3/s，短時(shí)間內(nèi)洪水過(guò)境致使大橋8#、9#、10#橋墩出現(xiàn)了較大的沖刷，沖刷深度達(dá)到近9 m(圖2為橋墩沖刷前后對(duì)比)，三個(gè)橋墩承臺(tái)及樁基礎(chǔ)均出現(xiàn)了不同深度的外露，現(xiàn)承臺(tái)以下部分樁基裸露出3～5 m，9#和10#墩已沖刷至卵石層，洪水沖刷對(duì)列車運(yùn)營(yíng)安全造成很大隱患。

圖1 橋墩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Bridge pier structure diagram

圖2 橋墩沖刷前后對(duì)比Fig.2 Pier situation before and after flood scouring

相比較普通鐵路而言，重載運(yùn)輸具有大軸重、大運(yùn)量、高速度的典型特點(diǎn)。重載列車過(guò)橋，其橫向力、豎向荷載和沖擊次數(shù)大幅增加，振動(dòng)和疲勞加劇。當(dāng)橋墩基礎(chǔ)沖刷嚴(yán)重時(shí)，重載列車通過(guò)將對(duì)橋梁安全造成巨大不利影響。為保證行車安全，洪水過(guò)橋時(shí)采用列車限速(≤60 km/h)、橋下拋石、橋墩基礎(chǔ)四周填土防護(hù)、橋梁運(yùn)營(yíng)性能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等一系列措施來(lái)保證橋梁運(yùn)營(yíng)安全。

2 動(dòng)力性能試驗(yàn)

文獻(xiàn)[18]中規(guī)定，鐵路橋梁應(yīng)具有足夠的橫向剛度，保證列車以規(guī)定的速度通過(guò)時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)激烈振動(dòng)。因此，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)將橋墩墩頂橫向振幅和橋跨跨中橫向振幅作為影響橋梁行車安全的動(dòng)力性能指標(biāo)，用以分析洪水沖刷對(duì)橋梁動(dòng)力性能的影響規(guī)律，分為行車安全限值和通常值兩個(gè)判別值，其中行車安全限值是保證列車一規(guī)定的速度安全通過(guò)，橋梁結(jié)構(gòu)必須滿足的限值指標(biāo)；通常值是指橋梁在正常運(yùn)用中的振幅實(shí)測(cè)值的上限以及頻率實(shí)測(cè)值的下限。

橋跨跨中橫向振幅安全限值：

[Amax]≤L/9 000 (mm)

(1)

橋跨跨中橫向振幅通常值：

(Amax)≤L/7.0B(mm)

(2)

墩頂橫向振幅通常值(中高墩，樁基礎(chǔ))：

(3)

式中：B為墩身橫向平均寬度(m)；H為墩全高(m)；△h為地基土特征橫向振幅取值參數(shù)(m)；L為跨度(m)。

在上游洪水沖刷時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，全天二十四小時(shí)監(jiān)測(cè)沖刷橋墩及主梁的控制參數(shù)變化情況，主要包括橋墩墩頂橫向振幅及主梁跨中橫向振幅，對(duì)橋墩豎向加速度和縱向振幅進(jìn)行間斷測(cè)試，并與以往測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用941B、891-Ⅱ拾振器并配套INV系列數(shù)據(jù)采集儀和IMC數(shù)據(jù)采集儀完成。

圖3 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Test site

2.1 沖刷深度影響

河道內(nèi)大量堆積松軟河沙，上游洪水通過(guò)時(shí)河道沖刷迅速，在短短4～6 h內(nèi)沖刷深度達(dá)到近9 m。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試隨沖刷深度增加橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，同時(shí)測(cè)量橋墩沖刷的大致深度。表1為不同沖刷深度下典型橋跨動(dòng)力響應(yīng)實(shí)測(cè)結(jié)果，圖4為主要測(cè)試參數(shù)與沖刷深度關(guān)系曲線，其中橫向振幅為實(shí)測(cè)振動(dòng)時(shí)程曲線最大值，沖刷深度采用在墩頂上方竹竿探底和吊線垂方式測(cè)試得到，取墩身四周多個(gè)位置的沖刷深度平均值作為整體沖刷深度，每趟列車通過(guò)時(shí)測(cè)試一次，此時(shí)列車速度偏低，無(wú)洪水沖刷時(shí)列車速度在58 ～76 km/h。

表1 不同沖刷深度典型橋跨動(dòng)力響應(yīng)

由表1和圖4可知，洪水沖刷時(shí)列車速度遠(yuǎn)小于無(wú)沖刷時(shí)速度，洪水沖刷引起橋墩基礎(chǔ)不同程度外露，進(jìn)而引起橋墩墩頂和跨中橫向振幅顯著增大。列車低速通過(guò)時(shí)橋梁橫向振幅遠(yuǎn)大于列車高速通過(guò)時(shí)數(shù)據(jù)，更加說(shuō)明洪水沖刷引起了橋梁振動(dòng)明顯加劇，影響安全運(yùn)營(yíng)。橋墩墩頂橫向振幅和橋跨跨中橫向振幅隨沖刷深度增加而逐漸增大，橋墩振動(dòng)增大直接導(dǎo)致主梁振動(dòng)加劇。相比較而言，洪水沖刷對(duì)橋墩影響更為敏感，當(dāng)沖刷深度達(dá)到7 m以上時(shí)，墩頂橫向振幅平均值及最大值的增加幅度均達(dá)到100%以上，而對(duì)應(yīng)橋跨跨中橫向振幅平均值及最大值的增幅約為50%。洪水沖刷導(dǎo)致橋墩埋深減小和橫向剛度顯著降低，車致橫向振動(dòng)加劇。

圖4 主要測(cè)試參數(shù)與沖刷深度關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between test parameters and scouring depth

橋墩橫向自振頻率采用錘擊法和余振法測(cè)試。沖刷前9#墩橫向自振頻率為14.5 Hz，隨沖刷深度增加，橋墩橫向自振頻率逐漸降低，沖刷深度在1～3 m時(shí)，自振頻率降低至11.2 Hz，當(dāng)沖刷深度達(dá)到7 m以上且趨于穩(wěn)定時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)9#墩橫向自振頻率為7.3 Hz，隨沖刷深度增加，橋墩橫向自振頻率逐漸減小。比較而言，承臺(tái)部分土層沖刷對(duì)自振頻率的影響更為顯著，而沖刷至樁基礎(chǔ)時(shí)，橋墩自振頻率降低幅度有所減小，自振頻率降低值與沖刷深度成正比。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)9#墩墩頂縱向振幅、豎向加速度進(jìn)行了跟蹤觀測(cè)，隨沖刷深度增加，墩頂縱向振幅和豎向加速度數(shù)值略有增大，但變化趨勢(shì)不明顯，說(shuō)明橋墩基礎(chǔ)豎向剛度變化不明顯，并且全橋橋墩在縱向方向承受橋跨限制約束作用，縱向振動(dòng)變化也不明顯。

橋墩基礎(chǔ)的水平承載能力主要和墩臺(tái)基礎(chǔ)類型、材料及截面特性、地質(zhì)條件和埋置深度有關(guān)，本橋采用樁基+承臺(tái)基礎(chǔ)，沖刷前樁基和承臺(tái)均由土層包圍，側(cè)面受到土的抗力作用；洪水沖刷后，承臺(tái)基礎(chǔ)全部裸露且樁基礎(chǔ)也裸露一定高度，整個(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中只有土層中樁基橫向受力，橫向剛度必定大幅降低。而本橋淺沙層下方為卵石土，樁基為摩擦樁，豎向剛度主要由樁側(cè)摩擦力和基底承載力共同承擔(dān)，洪水沖刷引起樁側(cè)土層流失，但相對(duì)于樁基全長(zhǎng)而言比例相對(duì)較小，對(duì)橋墩基礎(chǔ)整體豎向剛度的影響小于對(duì)橫向剛度的影響，所以沖刷對(duì)橋墩橫向振動(dòng)的影響要大于對(duì)豎向振動(dòng)的影響。

2.2 列車速度影響

同樣沖刷條件下，列車速度不同也會(huì)對(duì)橋梁振動(dòng)產(chǎn)生影響。洪水沖刷中和橋墩加固過(guò)程中的典型橋跨測(cè)試參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2所示；沖刷前后典型橋墩及主梁測(cè)試參數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖5所示，其中洪水沖刷中數(shù)據(jù)為橋墩基礎(chǔ)沖刷到最大深度及穩(wěn)定后的兩階段測(cè)試數(shù)據(jù)，8#、9#和10#墩對(duì)應(yīng)沖刷深度分別為為6.5 m、8.7 m和8.2 m，實(shí)測(cè)橋墩橫向自振頻率分別為10.5 Hz、8.2 Hz

和7.3 Hz，洪水沖刷時(shí)現(xiàn)場(chǎng)采取了拋石、填土等措施進(jìn)行臨時(shí)加固處理，橋墩四周埋有部分砂石；橋墩加固中數(shù)據(jù)為洪水退去后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加固施工時(shí)的數(shù)據(jù)，此時(shí)橋墩基礎(chǔ)周圍開(kāi)挖明顯，樁基明顯裸露，加固時(shí)墩身裸露程度大于洪水沖刷時(shí)數(shù)值。

表2 洪水沖刷前后橋梁測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

圖5 沖刷前后典型橋墩及主梁測(cè)試參數(shù)對(duì)比Fig.5 Comparison of bridge test data before and after flood scouring

圖5中，洪水沖刷時(shí)數(shù)據(jù)分為兩個(gè)階段，列車速度在30～40 km/h之間時(shí)為洪水急速?zèng)_刷階段，墩身基礎(chǔ)沖刷深度迅速增加，當(dāng)沖刷到一定程度后，沖刷深度不再增加，橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)也趨于穩(wěn)定，此時(shí)列車提速至45～60 km/h之間。

分析洪水沖刷工況，在相近沖刷深度情況下，隨列車速度提高，8#墩、9#墩及10#墩墩頂橫向振幅及第9孔跨中橫向振幅有逐漸增大趨勢(shì)，但增大幅度不太明顯，墩頂及橋跨跨中橫向振幅與列車速度基本成正比關(guān)系。在洪水沖刷過(guò)程中，由于8#墩有部分承臺(tái)未裸露出地面，埋深較多，而9#墩和10#墩受洪水沖刷作用，承臺(tái)全部裸露且樁基礎(chǔ)也裸露出2～5m高度， 相同速度列車作用下9#墩和10#墩橫向振幅數(shù)值大小基本接近且均大于8#墩數(shù)值。

在橋墩加固過(guò)程中需要將墩臺(tái)基礎(chǔ)四周土體清除干凈并預(yù)留一定的施工空間，此時(shí)承臺(tái)基礎(chǔ)全部裸露且樁基也有部分裸露，多個(gè)橋墩樁基四周埋土深度基本上都小于沖刷時(shí)數(shù)值。對(duì)應(yīng)在45～60 km/h列車作用下，加固過(guò)程中橋墩和橋跨橫向振幅均大于洪水沖刷過(guò)程中數(shù)值，且9#、10#墩墩頂橫向振幅接近規(guī)范通常值要求，再次說(shuō)明沖刷深度越大，橋梁振動(dòng)越大，橋梁振動(dòng)幅值基本上和沖刷深度成正比關(guān)系。沖刷造成承臺(tái)和樁基的裸露程度與橋墩及橋跨的橫向振動(dòng)成正比關(guān)系，沖刷深度增加直接導(dǎo)致墩臺(tái)基礎(chǔ)橫向剛度和穩(wěn)定性降低，進(jìn)而引起橋跨結(jié)構(gòu)振動(dòng)加劇。

洪水沖刷大都具有突然、迅速和危害力巨大特點(diǎn)，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和運(yùn)營(yíng)安全，而在洪水沖刷橋墩基礎(chǔ)過(guò)程中，有效的防護(hù)措施就是盡可能保障橋墩基礎(chǔ)周圍土體不被沖刷，保證足夠的埋土深度，可以考慮通過(guò)拋石、填充、引流等措施實(shí)現(xiàn)。

3 橋墩加固

對(duì)于洪水沖刷作用下的橋墩基礎(chǔ)而言，其基礎(chǔ)埋深大幅降低，相應(yīng)橋墩基礎(chǔ)的橫向剛度、承載能力、穩(wěn)定性也出現(xiàn)下降，為達(dá)到提高基礎(chǔ)承載能力、增加穩(wěn)定性和減振抑振的目的，加固設(shè)計(jì)需要從增加橋墩基礎(chǔ)剛度和穩(wěn)定性入手。常規(guī)的鐵路橋墩加固方法有很多，主要包括噴射注漿法、外包材料加固法、擴(kuò)大基礎(chǔ)加固法、增補(bǔ)樁基法等，且各有優(yōu)缺點(diǎn)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，增補(bǔ)樁基法對(duì)于處理沖刷引起的橋梁病害問(wèn)題較為合適[13～16]。

增補(bǔ)樁基法基本思路是：對(duì)沖刷嚴(yán)重橋墩基礎(chǔ)基礎(chǔ)，在樁基礎(chǔ)周圍補(bǔ)加鉆孔樁并擴(kuò)大原有承臺(tái)，新舊承臺(tái)間澆筑鋼筋混凝土連接，同時(shí)將承臺(tái)基礎(chǔ)與樁基連接在一起，新舊基礎(chǔ)形成一個(gè)完整整體，以此提高基礎(chǔ)承載能力和穩(wěn)定性。增補(bǔ)基樁法中的樁基類型多采用摩擦樁和柱樁兩種，其中摩擦樁主要由樁側(cè)土摩擦力和樁底抵抗力共同支撐垂直荷載，樁側(cè)極限摩阻力大小與土層性質(zhì)、成孔工藝和入土深度都有關(guān)，當(dāng)入土深度達(dá)到一定程度時(shí)，樁側(cè)摩阻力將達(dá)到臨界值而不再增加，一般情況下臨界摩阻力在25 m處出現(xiàn)[17]。而柱樁一般需要將樁底直接嵌入到巖石中，荷載全部由底部巖層承受，樁側(cè)摩阻力可忽略不計(jì)，具體選擇何種樁基形式以及樁長(zhǎng)、樁徑的確定需要根據(jù)地質(zhì)情況和加固效果需求確定。

3.1 加固設(shè)計(jì)

重載鐵路運(yùn)輸具有大軸重、大運(yùn)量的典型特點(diǎn)，對(duì)于本橋而言，考慮沖擊影響，單孔T梁橋上活載重量將達(dá)到250 t以上，相應(yīng)橫向搖擺力、制動(dòng)力等也大幅增加，洪水沖刷作用下墩臺(tái)基礎(chǔ)和橋跨振動(dòng)明顯。因此，橋梁加固須從減振抑振和提高基礎(chǔ)穩(wěn)定性兩方面入手，即橋墩加固目標(biāo)包括兩個(gè)方面：首先要從橋梁結(jié)構(gòu)減振抑振方面入手，通過(guò)增大橋墩橫向剛度，保證加固后的橋墩及橋跨橫向振動(dòng)大幅降低；其次，還需要大幅提高基礎(chǔ)承載能力和穩(wěn)定性，以降低洪水沖刷對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的危害，這也是洪水沖刷作用下重載鐵路橋梁加固必須考慮的問(wèn)題。

根據(jù)加固目標(biāo)和橋梁實(shí)際地質(zhì)狀況，提出一種基于增補(bǔ)樁基和增大基礎(chǔ)的整體加固方法：“增補(bǔ)樁基法+增大基礎(chǔ)法”，其核心思想是在增補(bǔ)一定數(shù)量樁基礎(chǔ)的前提下，同時(shí)對(duì)樁基上半部分進(jìn)行增大基礎(chǔ)加固處理，大幅提高墩臺(tái)基礎(chǔ)各向剛度和承載能力。在評(píng)價(jià)加固效果時(shí)，首先是保證位移、內(nèi)力等靜力性能參數(shù)在滿足設(shè)計(jì)要求基礎(chǔ)上降低50%及以上，其次是橫向自振頻率增加50%以上。

具體加固方法是：因橋梁建成后地區(qū)河流無(wú)變化，加固設(shè)計(jì)仍采用原橋設(shè)計(jì)時(shí)的百年設(shè)計(jì)流量，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基礎(chǔ)和樁基加固。加固設(shè)計(jì)采用樁徑1.0 m摩擦樁，對(duì)應(yīng)原始樁長(zhǎng)，加固樁長(zhǎng)取為25.0～26.0 m，每個(gè)基礎(chǔ)增加12根樁基。樁基采用鉆孔樁形式，并增設(shè)六面配筋承臺(tái)包護(hù)。在既有承臺(tái)及墩身植筋，梅花形布置植入φ28 mm牽釘鋼筋，植筋鉆孔孔徑35 mm，植筋完成后鉆孔注漿處理。牽釘與新建包護(hù)承臺(tái)鋼筋綁扎。對(duì)目前主河槽內(nèi)8#～10#墩承臺(tái)以下、卵石層以上采用基礎(chǔ)加固，結(jié)構(gòu)整體為C30片石混凝土，并設(shè)護(hù)面鋼筋，片石距離護(hù)面鋼筋不小于15 cm，承臺(tái)以下0.3 m范圍內(nèi)采用微膨脹混凝土。施工完成后，對(duì)這部分基礎(chǔ)進(jìn)行砂卵石回填，回填至現(xiàn)有河床面，回填時(shí)，應(yīng)分層夯實(shí)，壓實(shí)密度不小于90%。圖6為加固方案示意圖。

圖6 橋墩“增補(bǔ)樁基法+增大基礎(chǔ)法”示意圖Fig.6 Piers “Increasing pile foundation method + Increasing basic method”

設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行加固檢算，檢算在恒載、主力、主力+縱向附加力和主力+橫向附加力共4種荷載組合情況下的內(nèi)力與變位、墩頂位移、樁身彎矩及剪力、單樁承載力和樁底最大壓應(yīng)力等參數(shù)，經(jīng)檢算，各項(xiàng)靜力檢算參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，且多項(xiàng)位移、內(nèi)力等靜力性能指標(biāo)明顯降低，達(dá)到加固目標(biāo)要求。加固后8#、9#和10#橋墩橫向自振頻率計(jì)算值分別為24.5 Hz、24.5 Hz和27.2 Hz，較加固前的10.8 Hz、10.8 Hz和11.3 Hz均增大一倍以上。

3.2 加固實(shí)施

現(xiàn)場(chǎng)加固依據(jù)上述“增補(bǔ)樁基法+增大基礎(chǔ)法”進(jìn)行。在具體施工時(shí)，遵循以下原則：

(1) 按照同一橋墩的樁基逐根施工的操作順序進(jìn)行，嚴(yán)禁同時(shí)施做，承臺(tái)牽釘孔施工以不影響樁基施工為準(zhǔn)，樁基施工完成后再進(jìn)行承臺(tái)施工；在樁基加固完成后，再開(kāi)挖施做加固防護(hù)結(jié)構(gòu)。

(2) 樁基施工嚴(yán)禁采用沖擊鉆孔施工，防止沖擊作用對(duì)橋墩基礎(chǔ)干擾；在進(jìn)行承臺(tái)鉆孔施工時(shí)，牽釘孔不能使用沖擊鉆，防止既有承臺(tái)基礎(chǔ)及臺(tái)身出現(xiàn)破損。

(3) 施工時(shí)應(yīng)做好對(duì)既有橋墩的監(jiān)測(cè)工作，當(dāng)發(fā)生影響橋墩安全的狀況時(shí)，應(yīng)立即采取相應(yīng)措施，確保行車安全。

(4) 現(xiàn)場(chǎng)施工需避開(kāi)雨季施工，同時(shí)也需做好防洪應(yīng)急預(yù)案。圖7為橋墩及基礎(chǔ)加固情況。

圖7 橋墩加固情景Fig.7 Piers reinforcement scene

3.3 加固前后對(duì)比試驗(yàn)

在橋墩基礎(chǔ)加固前后進(jìn)行動(dòng)力性能試驗(yàn)，表3為橋墩及主梁加固前后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表，其中加固前數(shù)據(jù)為洪水沖刷中和墩身加固中的測(cè)試數(shù)據(jù)，8#～10#墩沖刷深度在1.0～8.7 m之間，加固后數(shù)據(jù)為加固完成并取消限速后的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。圖8為上行重車通過(guò)時(shí)為橋墩加固前后墩頂及主梁橫向振幅對(duì)比圖。

表3 橋墩加固前后測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

圖8 加固前后典型橋墩及主梁測(cè)試參數(shù)對(duì)比Fig.8 Bridge test data before and after reinforcement

對(duì)比橋墩加固前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)，雖然加固后列車速度大幅提高，但橋墩加固后試驗(yàn)橋墩及橋跨橫向振動(dòng)明顯降低，實(shí)測(cè)橫向振幅平均值和最大值均顯著減小，尤其是沖刷最為嚴(yán)重的9#墩和10#墩減振效果最為明顯，其中10#墩橫向振幅平均值和最大值分別由0.20 mm和0.37 mm降低至0.09 mm和0.25 mm，降幅接近或超過(guò)50%。第9孔跨中橫向振幅平均值和最大值分別由0.31 mm和0.58 mm降低至0.25 mm和0.37 mm，降幅也非常明顯。

比較而言，實(shí)測(cè)橋跨跨中橫向振動(dòng)降低幅度與墩頂橫向振動(dòng)答題相當(dāng)，實(shí)測(cè)各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)均小于規(guī)范限值[18]。實(shí)測(cè)加固后8#墩、9#墩和10#墩的橫向自振頻率分別為64.3 Hz、69.6 Hz和71.5 Hz，遠(yuǎn)大于沖刷最嚴(yán)重時(shí)的自振頻率(7.3～7.7Hz)，也遠(yuǎn)大于沖刷前的數(shù)值(14.0～14.5 Hz)，大于加固計(jì)算值(24.5～27.2 Hz)。加固措施大大增加了墩臺(tái)基礎(chǔ)橫向剛度和自振頻率。

橋墩加固后現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)行列車分級(jí)提速試驗(yàn)，隨列車速度增加橋墩及橋跨橫向振動(dòng)有逐漸增大趨勢(shì)。加固前列車速度集中在30 ～60 km/h之間，而加固后速度集中在60～80 km/h之間，橋墩加固前列車速度較低，按照一般情況下速度越高橋梁振動(dòng)越大的普遍規(guī)律，若加固后列車速度也集中在45 ～60 km/h之間變化，其對(duì)應(yīng)橋梁振動(dòng)將會(huì)比60 km/h以上時(shí)速列車引起的振動(dòng)更小，減振加固效果也更為顯著。橋墩加固前后不同速度列車作用下數(shù)據(jù)對(duì)比，在一定程度上驗(yàn)證了加固效果。

4 結(jié) 論

本文開(kāi)展了洪水沖刷下的重載鐵路橋梁動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)和加固技術(shù)研究，旨在探索洪水沖刷深度和列車運(yùn)行對(duì)墩臺(tái)基礎(chǔ)及橋跨結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)性能指標(biāo)的影響規(guī)律，并開(kāi)展相應(yīng)加固技術(shù)和措施研究，主要結(jié)論如下。

(1) 洪水沖刷引起橋墩基礎(chǔ)承臺(tái)和樁基不同程度外露，導(dǎo)致橋墩基礎(chǔ)形式發(fā)生改變，墩身高度增加，整個(gè)基礎(chǔ)形式由低承臺(tái)基礎(chǔ)變成高承臺(tái)基礎(chǔ)，相應(yīng)基礎(chǔ)承載能力和剛度明顯降低，尤其是橫向剛度降低最為明顯。

(2) 洪水沖刷后，橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)顯著增大，橋墩振動(dòng)增大直接導(dǎo)致主梁振動(dòng)加劇，而橋墩自振頻率則顯著降低，橋墩墩頂橫向振幅和橋跨跨中橫向振幅等參數(shù)與沖刷深度和列車速度成正比關(guān)系。

(3) 提出了整體加固方法：“增補(bǔ)樁基法+增大基礎(chǔ)法”，其基本思想是同時(shí)提高基礎(chǔ)穩(wěn)定性和承載能力，通過(guò)靜力參數(shù)檢算、加固實(shí)施和和動(dòng)力性能試驗(yàn)，本方法減振加固效果顯著，可以考慮在同類型橋梁加固中推廣應(yīng)用。