軟土地質條件下橋梁病害分析及防治淺談
2017-03-21
中鐵二十局一公司：李彥澎
一、前言
?。ㄒ唬┸浲劣捎谄渫馏w結構的不穩(wěn)定性，給工程設計帶來諸多問題，長期以來一直困擾著人們。隨著工程實踐中軟土問題的不斷解決，人們的認識也進一步深化。從橋梁病害防治的角度分析軟土地區(qū)橋梁設計的特殊性，將有助于提高軟土地質條件下橋梁設計的可靠性和對該類病害的防治。
?。ǘ┸浲恋刭|一般是在靜水或緩慢流水環(huán)境中沉積形成的，其強度低、壓縮量大，稍受重力或外力作用便會產生變形和流動，具有明顯的觸變性。同時，軟土地質還具有蠕變性，即在恒定的荷載下，變形隨時間發(fā)展。一般地說，這種蠕動的速度很慢，但其持續(xù)時間卻相當長，且蠕動的現(xiàn)象很普遍，它直接影響到結構的使用壽命。
?。ㄈ┸浲恋刭|的這些特性，使得理論上很難準確地模擬其實際物理特性。同時，在施工擾動、周圍環(huán)境的影響下，設計與實施也存在不同程度的偏差，致使結構的受荷情況與設計的假定條件很難一致，這是軟土地質條件下橋梁設計的復雜之處。文中將以福建境內閩江上的一座橋梁病害為例，在病害原因分析的基礎上，探討軟土地質條件下橋梁設計的特殊性及治理和預防病害的相應對策。
二、病害癥狀
（一）建在軟土地基上的橋梁，其病害的癥狀因地質條件差異及橋梁結構類型不同而各不相同。但因地基沉降、土體的水平變形引起的結構病害在橋梁病害中占有一定比例，以橋臺及其附近的橋墩病害居多。
?。ǘ┤缥挥诟＝ㄩ}江上的某國道橋建于1990年，該橋由預應力混凝土三角桁架、連續(xù)梁及簡支梁組成，橋梁全長1850m，設計荷載為汽-20。橋梁所處的閩江，河床泥沙沖淤特征明顯，多數(shù)河岸沉積較厚的淤泥層，且淤泥埋藏很淺。
?。ㄈ?000年對全橋檢查發(fā)現(xiàn)，處于深軟基地段的柱式橋臺臺前錐坡開裂，臺側翼墻損壞，臨近橋臺的1#墩雙柱式墩身自下而上均有環(huán)狀裂縫，裂縫寬度最大達0.5mm。2#墩也有裂縫，最大縫寬0.32mm。墩身有偏移跡象。據(jù)施工資料記載，該橋臺臺后填土高為9m，臺后設有拉桿。橋臺處地質情況為上層近20m的淤泥層，淤泥層下臥巖層，巖面向江心傾斜，臺位及路基均未進行軟基處理。實地勘察發(fā)現(xiàn)，橋頭下游一側有大量的后期土體堆載，且汽車超載現(xiàn)象嚴重。
?。ㄋ模榱瞬蛔钄嘟煌?，未對橋臺內部進行檢查。但根據(jù)臺前錐坡及1#墩的病害現(xiàn)象及工程資料記載分析，柱式橋臺可能有一定程度的破壞。
三、病害原因分析
軟土地質條件下的此類橋梁病害從客觀上講與軟土變形有關。但病害的發(fā)生卻涉及到設計、施工、運營等方面的人為因素。
1、設計影響
?。?）由于軟土地質的特殊條件，使得結構的理論設計與實際情況存在一定的偏差。就設計而言，對地質條件、施工干擾、周邊環(huán)境等因素的影響考慮不周，均有可能導致病害的發(fā)生。
?。?）常年以來，橋梁樁基計算都采用“m”法計算。而在軟土地基中，水平力作用下的樁體水平變位較大，樁的受力模式與“m”法的計算模式有較大的差異。
（3）首先，“m”法假設土體為完全彈性體，地基反力系數(shù)在地面處為零，地面以下隨深度以m：1的比例變化，土質不同只是系數(shù)大小的問題。這些假定與正常固結粘性土和一般情況下的砂土地質情況基本符合，但對于軟土地質，其地基土抗力系數(shù)m值的適用范圍卻是有限的。規(guī)范規(guī)定灌注樁的m取值范圍相應于單樁在地面處的水平位移為6～12mm，而軟土地質中的樁基位移量往往超出其限定范圍，尤其是軟土地質上的高填土柱式橋臺，在臺后填土壓力及動載的作用下，其水平變形量往往超出“m”法的限制范圍，土體變形已不屬于彈性變形，“m”法計算中土的彈性抗力假定是否適用值得懷疑。大量工程實測表明，當樁基的位移量較大時，計算結果與工程實測值差異較大。
（4）其次，“m”法按ah=4的條件確定‘有效樁長’，即認為樁長超過此值，對于樁頂位移和最大彎矩計算都不起作用。計算是在假定樁長的前提下，確定樁基的最大彎矩和彎矩零點，這在一定程度上忽略了樁土及外力間的相互整體作用，隨意性較大。實際上，在軟土地基中，水平力作用下的樁體水平變位較大，就對樁頂位移和最大彎矩計算的影響而言，樁長的取值并不僅限于樁土本身的特性，還與其所承受的外力有關。全面考慮樁土特性及受力條件，通過樁的受力平衡條件來確定計算樁長，方可使計算接近實際情況。有關資料顯示，在軟土地質條件下，設計中若以ah=4的范圍作為計算樁長考慮配筋，則往往造成最大彎矩及彎矩零點位置判定的錯誤，導致配筋長度的不足及在仍需配筋的范圍不配或少配鋼筋。
?。?）除了計算模式的問題外，軟土地質對結構物所形成的附加荷載在設計中未考慮周全，也是導致病害發(fā)生的原因之一。由于軟土地質的變形作用，軟土地質條件下的構造物較非軟土地質下的構造物承受更多的附加荷載。如橋臺的臺后填土，實際上可視為在土體上的局部后加載，軟土地質上的后加載，在導致樁周土下沉產生負摩阻力的同時，還可能使土體產生側向變形，在陡岸上還可能引起地基土的塑性擠出，它將給樁基以附加水平土壓力。高填土深軟基橋臺，若未在橋臺附近一定范圍內進行軟基處理，橋臺及鄰近橋臺的樁基均可能承受由于土體變形產生的水平附加力，此水平附加力在設計中若未加以考慮，則有可能造成構造物基礎的破壞。
?。?）從結構設計的角度上講，橋臺附近一定范圍內的軟土若未加以處理，不平衡荷載作用下的軟土變形，除可能導致結構物破壞外，還可能導致諸如臺后路基塌陷、軟土滑移、蠕變等其他病害的發(fā)生。
2、施工影響
?。?）軟土地質橋梁施工工藝及順序安排，對樁基的受力影響極大，主要表現(xiàn)在對樁基承受的附加力和樁基承載力方面。
（2）施工順序直接影響到樁基承受附加力的大小，主要表現(xiàn)在軟基處理與構造物施工的順序上。在軟基處理的過程中，軟土地質的壓縮性使土體產生較大的橫豎向壓縮變形，這一變形對處于其中的構造物形成作用力。豎向壓縮對構造物產生負摩阻力，水平向變形對構造物產生水平向推力。軟基處理若在樁基形成后進行，除可能對樁基形成負摩阻力外，還將對樁基形成水平壓力，當此水平力足夠大時，極可能造成斷樁。實際工程中，由于構造物先于軟基處理施工而引起結構破壞的情況時有發(fā)生。
?。?）施工對樁基承載力的影響主要是由于軟土的觸變性形成的，軟土的觸變性使施工擾動對樁基承載力影響加劇。鉆孔灌注樁在成孔的過程中破壞了土體的天然結構，同時，孔壁土體孔隙水壓力上升，使樁周及樁端強度降低，受施工土體擾動的影響，樁基承載力明顯降低，這一點在常規(guī)的樁基設計中很難加以考慮。雖然樁基承載力會隨時間的增長而增長，但由于軟土具有觸變性，結構恢復及樁周土體孔隙水壓力消散較慢，樁基承載力的提高過程較長，在施工周期較短的工程中，上部及運營荷載在短期內的增加，對承載力的提高及利用均不利。
3、后期環(huán)境影響
?。?）橋位周圍環(huán)境對軟土地質的不良影響也是誘發(fā)橋梁病害發(fā)生的原因。當臺側堆載時，由于軟土地質強度低，具有壓縮性和蠕動性，橋臺周圍的荷載對下臥軟土及橋位土體產生壓力，除了可能增加縱橋向的土體變形外，橋臺兩側的不平衡或單側堆載，還將使土體產生橫向變形，對橋梁樁基產生橫橋向推力，造成樁基偏位。此外，任何超負荷的加載還可能引發(fā)土體的蠕動。文中所列舉橋梁的1#墩，觀測到有一定量的縱橫橋向位移。經分析，該位移與橋頭單側大量的后期土體堆載有關，車輛超載也在一定程度上加劇了土體變形的發(fā)展。
（2）通過上述分析可以看出，軟土地質的客觀因素與設計、施工、運營環(huán)境等人為因素組成了橋梁病害發(fā)生的綜合因素，軟土地基橋梁病害發(fā)生的原因是多方面因素相互作用的結果。
四、病害治理方案
?。?）軟土地質條件下的橋梁病害主要反映在由于地質環(huán)境的不利影響而造成的構造物破壞。對其治理一般可考慮從改善包括地質條件、周邊環(huán)境在內的構造物外部環(huán)境和加強構造物抵御外部不利影響的能力上入手。具體的治理方案則應根據(jù)實際情況，綜合考慮結構安全、經濟效益、社會影響等多方面因素后確定。
?。?）以本文所舉的橋梁病害為例，此類橋梁病害較徹底的解決辦法是增加橋孔，使橋臺遠離河岸臨空面，減少橋臺填土高度，對必要地段進行軟基處理。然而，上述處理必須阻斷交通。對于交通要道上的橋梁來說，阻斷交通的處理方案不論從經濟效益、社會影響上講均非上策。該橋的治理方案，優(yōu)先考慮以不阻斷交通為前提的設計思路。
?。?）在該橋治理方案選擇中，曾考慮采用高壓噴射灌漿技術，對臺前及臺后軟土實施壓漿處理，在橋臺區(qū)域形成剛性較大的固結體，以抵抗臺后形成的土壓力，減輕土壓力對橋臺及臨近橋墩的壓力。然而，考慮到淤泥結構性很強，結構未被破壞時外觀無流動現(xiàn)象，但一經擾動破壞，強度即明顯下降。橋位處為近20m的淤泥層，且淤泥層下臥巖層，巖面向江心傾斜，地層傾斜較大。在厚軟土且具有傾斜下臥層的情況下，壓漿過程中的擾動將對該區(qū)域土層及結構產生不良影響。同時，軟土壓漿后土體容重的增加有可能引起未固結下臥軟土的滑動。為了避免上述情況的發(fā)生，淘汰了此方案。
?。?）進一步的地質勘察表明，橋臺附近淤泥層物理力學指標較建橋前有所改善，在邊界條件不變的情況下趨于穩(wěn)定。因此，以結構加固為主，盡量避免土體擾動的方案較切合實際。鑒于橋臺檢測困難，在橋臺受損情況不明的情況下，不宜盲目對橋臺實施加固。同時為避免阻斷交通，決定暫不對橋臺構造本身進行處理，而是通過加固1#墩來分擔橋臺受力，緩解臺后壓力對結構的影響。按1#墩承受自身及橋臺傳來的水平力考慮，將1#墩單排樁基加固為群樁基礎，墩身雙柱外包裹混凝土，加大柱徑并連成整體。并在1#墩與橋臺之間的錐坡上設置注漿導管，進行錐坡局部注漿固化處理，以在1#墩與橋臺之間形成類似支撐梁的受力體，共同承受水平壓力。2#墩也作了抬樁加固處理。同時在臺前布置了三個測斜管觀測點，進行土體側向位移觀測，以及時掌握橋位土體變位情況.
?。?）該工程病害治理后，經過幾年的運營，被加固的構件至今未發(fā)現(xiàn)新的病害癥狀。但目前的觀測發(fā)現(xiàn)，由于在2#墩與3#墩之間新近填筑土體形成了臨時汽車通道，3#墩也出現(xiàn)了類似2#墩的病害。這進一步說明了未作軟基處理的土體在外荷作用下，對橋梁產生的不利影響。近期也對3#墩進行了加固。為了進一步掌握橋位處的地質變化情況，目前仍在繼續(xù)進行土體變位觀測。
五、預防措施探討
從病害原因分析中可以看出，病害的發(fā)生除了客觀原因外，人為因素在防止病害發(fā)生中可起主導作用。在對橋位的軟土分布狀況、物理力學特性以及可能出現(xiàn)的變形情況有足夠認識的前提下，通過完善的設計，預計施工、運營環(huán)境對土體作用產生的后果，以及土體變化對結構物使用壽命的影響，盡早采取防范措施，可以減小病害發(fā)生的概率。從設計、施工以及后期的維護上講，主要可以考慮以下幾方面對策。
1、橋梁長度的確定
?。?）經過軟土區(qū)域的路線，橋梁長度的確定，在節(jié)省造價、減少病害發(fā)生的概率上起著重要作用。橋梁長度需根據(jù)軟基深度、填土高度等實際情況，經技術經濟比較后確定。
?。?）路線經過深軟基地段時，以橋梁跨越往往具有一定優(yōu)勢。深軟基地段軟基處理成本較高，且受施工技術、工期的制約，軟基處理的效果不一定理想。而且在深軟基上建橋臺，要考慮諸多不可預見因素，尤其是高填土橋臺，構造物的成本較高。早期修建的福建高速公路，一般不因為軟土而增加橋梁長度，橋臺往往建在深軟基上。設計的原意是希望減少橋長以節(jié)省造價。而事實上，不僅軟基處理代價高，結構物病害時有發(fā)生，橋頭跳車問題也較突出，未達到理想的效果。
（3）處于軟土地質條件下的跨河橋梁，橋臺應盡量遠離陡邊坡河岸。雖然這樣會增加橋長，但可減少由于靠河岸一側臨空面與臺后的土壓力差對樁基產生的不利影響。且相對于靠近陡邊坡河岸設置的短橋而言，長橋臺前有較大的臺前土體壓力，對臺后填土起到了反壓護道的作用，可避免土體變形對樁基產生附加力，減少蠕動變形發(fā)生的可能性。長橋方案在可靠度方面優(yōu)于橋臺近河岸的短橋方案。而從造價上看，雖然長橋的上部構造費用多于短橋方案，但其軟基處理和下部構造的費用卻有可能少于短橋方案，該兩方案具有比較價值。
2、相關構造措施
?。?）軟基處理時，從根本上消除軟土對結構物的不利影響，是避免軟土地質條件下橋梁病害發(fā)生的有效措施。對于可能對構造物產生不利影響的區(qū)域，如橋臺、陡坡岸上或臨近橋臺的橋附近，均應根據(jù)軟土的物理力學指標、軟土厚度，進行相應的軟基處理，改善構造物的外部環(huán)境，以避免軟土的水平方向變形對樁基產生附加水平力，并消除蠕動隱患。
?。?）在橋臺結構的選擇上，宜采用抗水平荷載能力強的橋臺形式。柱式橋臺水平抗推剛度較小，在水平力作用下變形較大，在深軟土地質條件下不宜采用。即使橋臺附近的軟土進行了改善土體特性的軟基處理，由于軟基處理可靠度以及時效等方面的原因，也難以保證樁基不承受土體附加力，柱式橋臺的使用仍應慎重。群樁基礎肋式臺水平抗推剛度較大，抵抗水平荷載的能力較強，在軟土地質上被廣泛采用，效果較好。
?。?）軟土地基由于強度低、易變形，各種不可預見不利因素對樁基的影響較突出，樁基的最大彎矩點和彎矩零點也可能因受到各種不可預見因素的影響而變化。樁基設計除了在承載力上留有余地外，樁基受彎剪的范圍也應考慮留有更大的余地，一般在軟土層內不減少樁基配筋量，更不能在該區(qū)段設置素混凝土樁。
3、結構設計計算上的探討
?。?）軟土地質條件下的橋梁樁基計算不能簡單地采用常規(guī)計算方法，而應根據(jù)實際的受力特點加以分析。
?。?）就計算方法而言，用假設‘有效樁長’，計算樁的最大彎矩及彎矩零點進行配筋的常規(guī)方法，在軟土地質條件下應慎重采用，以免造成最大彎矩及彎矩零點位置判定的錯誤，導致配筋長度的不足。在樁基變形較大的情況下，計算應同時考慮樁土特性及受力條件，以整體體系來分析樁的受力模式，以使計算結果接近實際情況。同時，當樁基水平變形量超出“m”法的限制范圍時，地基土抗力系數(shù)m值宜采用實測值。由于“m”法基本假定與大變形量樁基受力模式存在偏差，也可以考慮采用其他更接近于該類樁基受力模式的計算方法進行對比計算，這是需要進一步探討的問題。
?。?）當軟土地質有可能因某種外力作用產生變形時，如橋臺附近未作軟基處理，或未能在構造物實施前達到軟基處理的最終效果時，還應考慮包括軟土豎向和橫向變形在內，作用于樁基的附加力。
4、設計與施工的配合
設計與施工的偏差在所難免，而在人為能控制的范圍內，設計與施工密切配合，能使實施與設想的情況相吻合，減少人為因素導致病害發(fā)生的可能性。如前病害原因分析所述，軟土地質橋梁施工工藝及順序安排，對樁基的受力影響極大。軟基處理與樁基施工的順序、樁基承載力的實現(xiàn)，均與施工控制密切相關，應予充分重視。
5、運營中的管理
良好的運營管理是保障結構正常使用的前提。嚴禁在墩臺附近堆、挖土，嚴格控制車輛超載。不平衡或單側堆載都有可能引起土體變形，對橋梁樁基產生附加推力。同時，任何超負荷的加載都有可能引發(fā)具有蠕動傾向的土體產生蠕動，這些人為因素造成的不利影響，只有通過管理上的控制加以防范。
此外，還應加強對地基及結構物的后期觀測，尤其注意變形觀測。對有可能產生蠕動變形的地質更要加以注意。
六、結語
橋梁補強加固原則。采用加固方案之前，須先考慮耗費少、功效快、不中斷交通、技術上可行、有較好耐久性等方面的要求。補強加固是通過加大或修復橋梁構件來提高局部或整座橋梁承載能力的措施。因此橋梁加固工作一般以不更改原結構形式為原則，只有在較復雜的情況下，才可考慮更改結構形式。如果采用補強加固的方式仍不能達到交通運輸要求，則必須考慮進行重建橋梁的部分或全部。選擇橋梁加固方式時，必須考慮舊橋現(xiàn)狀、承載能力減弱的程度以及日后交通量，最好參考已經成功完成補強加固的橋梁的施工。采用擴大或增加橋梁構件斷面的方法進行加固前，應考慮增加部分與原有部件的結合效果。
隨著橋梁技術的發(fā)展，結構耐久性問題引起人們的廣泛關注。病害的治理和預防作為耐久性問題的重要內容，成為人們關注的焦點。由于軟土地質結構多變性的緣故，軟土地基橋梁病害發(fā)生、發(fā)展的可預見性較差，且病因較復雜，這增加了結構耐久性問題解決的難度，然而，盡管實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。通過對同一類病害特殊性的了解，能不斷完善設計，有效控制病害的發(fā)生。文中所列舉的實例具有一定的代表性，希望通過本文的論文能對軟土地質下橋梁病害的治理及預防有所幫助。
參考文獻
《對公路軟基常用處理方法及評價》
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