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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 />  

發(fā)布:2007-07-28 10:11    編輯:泛普軟件 · xiaona    [打印此頁]    [關(guān)閉]
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