聊城市沙鎮(zhèn)扈莊灌區(qū)中軟土地基上橋涵安全的影響與對策

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  摘　要：筆者所在的聊城市東昌府區(qū)沙鎮(zhèn)扈莊灌區(qū)地處全國大型灌區(qū)位山灌區(qū)三干渠的上游，控制面積12.8萬畝，灌區(qū)內(nèi)有各種橋涵500余處。我根據(jù)多年施工經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)查，分析軟土地基上橋臺發(fā)生病害的原因，提出了橋臺設(shè)計、施工中應(yīng)注意的問題和預(yù)防措施。

　　關(guān)鍵詞：軟基上的橋臺；病害分析；預(yù)防措施

  　  一、前言

　　軟土地基主要是指天然含水量較高、壓縮性大、抗剪強度低的細(xì)粒土，或由空隙率大的有機質(zhì)泥炭松砂組成的土層。在外荷載作用下能產(chǎn)生較大的變形，軟土還具有流塑性，即在相當(dāng)小的剪力作用下也能產(chǎn)生緩慢的水平位移。在軟土地基上建橋時，經(jīng)常出現(xiàn)的問題有：一是軟土地基壓密下沉對基礎(chǔ)的影響，二是填土引起的軟土地基的塑性流動對基礎(chǔ)的影響，根據(jù)以往施工實踐和橋梁調(diào)查分析，在軟土地基上建造的許多橋梁中，病害發(fā)生在橋臺上的較多，如：橋臺下沉、橋臺前傾、U型橋臺前墻與側(cè)墻撕裂分離、一字型橋臺分段豎向開裂、橋臺樁基前移或環(huán)狀裂縫、橋頭錯臺跳車、橋頭高路堤滑坡等等，有的橋臺通車幾年后就不能使用，需要花上很多時間和經(jīng)費處理，給正常使用和養(yǎng)護帶來極為不利的影響，這些問題經(jīng)過調(diào)查和分析，主要原因是在橋臺設(shè)計方面考慮不周和施工方法不妥造成的。本文就橋臺病害分析、預(yù)防措施及做好橋臺設(shè)計與施工分述如下：

    二、軟土地基上橋臺的病害分析

　　軟土地基上橋臺的病害，一般分為兩種：橋臺下沉和橋臺前移。這兩種病害有時單獨出現(xiàn)，也有同時發(fā)生和相繼發(fā)生。而橋臺的下沉有均勻下沉和不均勻下沉兩種：橋臺的前移還伴隨著橋臺整體傾斜或撕裂的情況，這都影響到橋梁的使用性能和行車安全，給養(yǎng)護管理帶來許多困難。

　　1　橋臺的下沉現(xiàn)象

　　橋臺的下沉是由于地基壓密下沉而引起的。在橋臺和上部構(gòu)造荷載的作用下，引起土層的再固結(jié)，基底被壓密下沉，導(dǎo)致橋臺下沉。

　　橋臺的下沉通常是地基中有一層或幾層壓縮性大的軟土，當(dāng)橋臺基礎(chǔ)為淺基礎(chǔ)時，例：橋臺臺身和基礎(chǔ)采取漿砌片石砌體或片石砼，而施工時對地基做換填處理，或打入鋼筋混凝土樁等，因自身重量較大，并在上部荷載作用下，久而久之，橋臺也出現(xiàn)下沉，如橋臺下沉是均勻下沉，而下沉量不大時，則是引起橋面產(chǎn)生裂紋和行車不舒適，不會導(dǎo)致橋梁的破壞，如下沉量過大，就會影響橋梁的使用，引起橋梁破壞，甚至成為危橋。如橋臺不均勻下沉，通常會引起橋臺基礎(chǔ)和臺身的豎向開裂，其原因主要是橋臺基礎(chǔ)為石砌基礎(chǔ)或砼基礎(chǔ)，且基礎(chǔ)長寬比偏大，基礎(chǔ)底面的土體應(yīng)力成馬鞍形分布，中間大，兩側(cè)小，從而引起中間下沉大，兩側(cè)下沉小，加上基礎(chǔ)砌體的抗變形能力低，基礎(chǔ)中間容易被拉裂，這種裂縫直接反射到臺身上，引起臺身開裂。橋臺基礎(chǔ)為深基礎(chǔ)時，例：樁基礎(chǔ)橋臺也發(fā)生下沉，在莊戶公路上有一座70年代初建造的公路簡支T型橋梁，當(dāng)時設(shè)計的荷載偏低，樁基按摩擦樁設(shè)計，為16m長40Cm×40Cm打入鋼筋混凝土方樁，由于交通量和荷載增大，近幾年橋臺逐年下沉，到1997年已下沉了30多厘米，影響交通安全，后將橋臺加固和臺帽加高才恢復(fù)橋梁的正常使用。

　　2　橋臺前移現(xiàn)象

　　修建在軟土地基上的橋臺，若臺背填土過高，地基強度不足，就會引起地基失穩(wěn)出現(xiàn)塑性滑動，產(chǎn)生作用于橋臺的水平力，使橋臺產(chǎn)生水平位移和(或)傾斜。由于地基失穩(wěn)滑動，U型橋臺整體滑動或前墻前移和側(cè)墻在連接處產(chǎn)生撕裂分離，一字型橋臺墻身前移產(chǎn)生分段開裂，鉆孔樁基橋臺，樁基上部偏移，有的在樁基上部橋臺前緣河心方向水平開裂，裂縫深有半個樁基，裂縫間距約20-50cm之間。因為樁身上部在地表下0-3m范圍受到較大水平力所產(chǎn)生的撓曲而開裂。

　　由于橋臺前移而引起的橋梁上部構(gòu)造破壞，一般有以下幾種情況：

　　(1)支座和墩臺支承面破壞；

　　(2)伸縮縫裝置破壞和接縫寬度不夠，使伸縮機能受阻；

　　(3)當(dāng)移動量過大時梁端與臺背緊貼，嚴(yán)重時導(dǎo)致背墻破壞或梁端局部壓碎。

　　例如：建于1975的大常大橋，為4孔16mT型梁橋，因橋臺建于軟土地基上，基礎(chǔ)為打入鋼筋混凝土方樁，隨著交通量和荷載的增大，近幾年檢查該橋梁兩岸橋臺均存在下沉，并存在由南向北小幅度傾斜。南臺背墻擠靠T型梁端部，兩者無空隙，且背墻被剪斷破損。北臺背墻離開T型梁端部空隙超出6-8cm，上部構(gòu)造T型梁擺動，支座向一個方向傾斜，伸縮機能破壞，通過較大噸位車輛時，臺背路面上有強烈沖擊感，墻面有挫動等情況，已成為危橋，于2004年進行了加固處理，才使大常大橋恢復(fù)了正常使用性能，保證了行車安全。

　　調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橋臺臺身為實體式橋臺時，產(chǎn)生前移的情況較多，而樁柱式、框架式和肋板式等埋置式橋臺產(chǎn)生前移的情況相對較少。采用樁基礎(chǔ)時，當(dāng)順橋方向樁的排數(shù)越多，移動的程度越小，因為樁的排數(shù)多，阻止軟土順橋向的流動剛度大。

　　三、橋臺病害的預(yù)防措施

　　1　要防止橋臺發(fā)生下沉現(xiàn)象，應(yīng)從以下兩個方面考慮：

?。?）合理選用橋臺型式和基礎(chǔ)型式

　　宜選用體積輕巧、自重較小的輕型橋臺，如樁柱式、框架式和肋板式橋臺等。至于基礎(chǔ)的型式，最好采用樁基礎(chǔ)，利用樁支托承臺，直接將橋臺重量避開高壓縮性軟土，傳遞到壓縮性較低、強度較高的土層上，從而減少高壓縮性軟土層的應(yīng)力，減少下沉。當(dāng)然，采用剛性擴大基礎(chǔ)配合地基加固處理，也能減少橋臺下沉，但不宜采用漿砌片石基礎(chǔ)，而應(yīng)采用鋼筋混凝土基礎(chǔ)。

   （2）人工加固地基

　　若軟土層位于地表，且厚度不大，在2-4m時，將其全部挖除是最經(jīng)濟、最有效的辦法。但當(dāng)軟土層埋深較大時，則應(yīng)根據(jù)橋梁跨徑，臺后填土高度等因素確定加固方法。對于小橋涵，后臺填土高度不大時，挖除部分軟土，換填沙礫，可滿足承載力的要求，必要時可采用打入鋼筋混凝土樁的方法等。對于大跨徑的橋梁通常采用樁基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)等才能滿足承載力的要求，若后臺填土過高，有可能引起地基的塑性流動，則應(yīng)采用諸如排水固結(jié)法或形成復(fù)合地基，提高軟基的承載能力和抗剪強度。

　　2　根據(jù)上述橋臺前移原因分析，防止橋臺前移的方法有

　　(1)嚴(yán)格控制填土高度，因為填土越高，臺背承受土側(cè)壓力與高度成平方比例增大，橋臺就越危險。

　　(2)合理選擇橋臺型式和基礎(chǔ)型式，選用埋置式橋臺，利用臺前溜坡平衡臺背的填土荷載，必要時在臺前作壓重填土。大跨徑的橋梁盡量采用樁基礎(chǔ)，并合理確定樁位和排數(shù)。

　　(3)小跨徑的橋梁可考慮設(shè)置支撐粱或?qū)蛐透臑橄湫秃Y(jié)構(gòu)型式。

　　(4)人工加固地基，提高地基承載能力和抗剪強度。

　　(5)延長橋孔的方法，減少橋頭路堤填土高度。

　　(6)臺背填土應(yīng)避免采用易于吸水膨脹的粘性土，盡量采用水穩(wěn)性好的砂性土、石碴或輕質(zhì)材料，以減輕路堤自重，減少臺背土壓力，減少沉降并增大穩(wěn)定安全系數(shù)。

　　四、軟土地基上橋臺的設(shè)計方法

　　軟土地基上橋梁墩臺設(shè)計，除了必須進行一般的強度和穩(wěn)定性驗算外，還應(yīng)進行地基變形的驗算。但對橋臺設(shè)計，則對后一問題的研究更重要，因為橋臺受到臺背填土偏心荷載的影響，對于軟土地基，當(dāng)臺背填土超過一定的高度時，將導(dǎo)致地基失穩(wěn)產(chǎn)生塑性流動，并由此引起作用于橋臺的水平力，使橋臺產(chǎn)生水平位移和(或)傾斜。

　　在設(shè)計橋臺時，要根據(jù)實際情況，經(jīng)過技術(shù)和經(jīng)濟的比較，選用合適的有效的防止橋臺下沉和前移方法，通常時幾種方法配合使用，才能得到理想的效果。軟土地基上橋臺的設(shè)計方法與一般的橋臺設(shè)計方法不同之處是前者要對地基的穩(wěn)定性進行驗算，從而判斷橋臺前移的可能性，按照我國交通部頒布的《公路橋梁地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTJ024-85)第3．2．1條的規(guī)定，當(dāng)臺背填土較高且地基土質(zhì)不良時，并應(yīng)驗算橋臺與路堤可能一起沿弧面滑動的穩(wěn)定性。

　　土層為軟弱土層的樁柱式橋臺，應(yīng)考慮軟弱土層和土層上面超載(路堤、活載等)所產(chǎn)生的水平側(cè)壓力對樁的撓曲作用。工程實踐中，橋臺鉆孔樁產(chǎn)生河心方向的偏移及水平環(huán)狀裂縫等病害并不少見?！豆窐蛄旱鼗c基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTJ024-85)4．3．1條規(guī)定：“當(dāng)基樁上部位于內(nèi)摩擦角小于20的軟土?xí)r，應(yīng)驗算橋樁因該層土施工加于基樁的水平力所產(chǎn)生的撓曲”。設(shè)計者需要認(rèn)真處理，必須有可靠的計算方法和實踐經(jīng)驗。必要時，可延長橋孔減少橋頭路堤填土高度，使樁受到的側(cè)壓力減小，避免樁身位移或開裂。

　　軟土地基上橋臺的設(shè)計內(nèi)容，取決于橋臺是否會產(chǎn)生位移，如果經(jīng)過驗算，證實橋臺不會產(chǎn)生前移，就可以按常規(guī)的方法對橋臺進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，強度和穩(wěn)定性計算；如果橋臺存在前移的可能性，就應(yīng)采取相應(yīng)的措施，并重新進行驗算，直至能夠確信橋臺不會產(chǎn)生位移，然后按常規(guī)的方法對橋臺進行一般的計算和驗算。

　　值得指出的是，當(dāng)必須采取防止措施時，以采取加固地基和平衡填土減輕荷載二者并用較好，采取加大樁徑或樁排數(shù)的方法，需要通過滑動穩(wěn)定性驗算來計算出樁的應(yīng)力強度和位移量，看其值是否都在容許值以內(nèi)，來判斷實際效果，應(yīng)有可靠的計算方法。

　　五、軟土地基上橋臺的施工方法

　　橋臺的破壞多發(fā)生在臺背填土施工中及剛完工后，故施工順序得當(dāng)，就能在很大程度上減少破壞，施工中應(yīng)注意的事項有；

　　1合理安排施工順序，在構(gòu)筑橋臺之前，應(yīng)先做好臺背填土以外的填土，設(shè)置反壓護道，橋臺完工后再做臺背填土，也可以在臺身施工時將臺帽背墻留下，待臺帽背墻以下的填土完成后，觀測橋臺變形穩(wěn)定情況，無變化再建臺帽和背墻后進行第二次填土。

　　2先安裝上部板梁，后進行臺背填土。先安裝上部構(gòu)造，后兩側(cè)對稱進行臺背填土，可減輕臺背填土壓力對橋臺的穩(wěn)定影響。

　　3緩慢填土。臺背填土應(yīng)緩慢進行，避免快速施工，因填土緩慢進行有利于軟土地基固結(jié)穩(wěn)定。

　　4預(yù)壓、超載預(yù)壓。在橋臺處先填土預(yù)壓，在修筑路堤時預(yù)先把土填的比設(shè)計標(biāo)高高一些，并加寬填土寬度，以加速地基固結(jié)下沉，以后再挖除超填部分，這種預(yù)壓或超載預(yù)壓的方法，簡單易行，但需要較長的固結(jié)時間，常需配合用砂墊層、砂井等排水措施來滿足工期要求。

　　六、結(jié)束語

　　在橋梁建設(shè)實踐中，因橋臺下沉或前移導(dǎo)致橋梁破壞的事例較多，究其原因，有的是在設(shè)計時對橋臺下沉和前移的可能性估計不足，未能預(yù)先提出行之有效的防止措施，有的是由于施工方法不當(dāng)，特別是臺背填土速度過快，致使地基因強度不足而失穩(wěn)，從而引起橋臺的破壞。一旦橋臺發(fā)生下沉或前移，通常只能采取加固措施進行處理，并且?guī)缀鯖]有什么有效的辦法使其恢復(fù)原狀，所以在設(shè)計和施工階段應(yīng)對橋臺的下沉和前移可能性進行充分的研究調(diào)查，以采取相應(yīng)的對策?！?br />