軟土地質(zhì)橋梁病害分析及防治對策
2015-05-07
一、前言
?。ㄒ唬┸浲劣捎谄渫馏w結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，給工程設(shè)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(rèn)識也進(jìn)一步深化。從橋梁病害防治的角度分析軟土地區(qū)橋梁設(shè)計的特殊性，將有助于提高軟土地質(zhì)條件下橋梁設(shè)計的可靠性和對該類病害的防治。
?。ǘ┸浲恋刭|(zhì)一般是在靜水或緩慢流水環(huán)境中沉積形成的，其強(qiáng)度低、壓縮量大，稍受重力或外力作用便會產(chǎn)生變形和流動，具有明顯的觸變性。同時，軟土地質(zhì)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(dāng)長，且蠕動的現(xiàn)象很普遍，它直接影響到結(jié)構(gòu)的使用壽命。
（三）軟土地質(zhì)的這些特性，使得理論上很難準(zhǔn)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(shè)計與實施也存在不同程度的偏差，致使結(jié)構(gòu)的受荷情況與設(shè)計的假定條件很難一致，這是軟土地質(zhì)條件下橋梁設(shè)計的復(fù)雜之處。文中將以福建境內(nèi)閩江上的一座橋梁病害為例，在病害原因分析的基礎(chǔ)上，探討軟土地質(zhì)條件下橋梁設(shè)計的特殊性及治理和預(yù)防病害的相應(yīng)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(zhì)條件差異及橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力混凝土三角桁架、連續(xù)梁及簡支梁組成，橋梁全長1850 m，設(shè)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(cè)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(dá)0.5 mm。2#墩也有裂縫，最大縫寬0.32 mm。墩身有偏移跡象。據(jù)施工資料記載，該橋臺臺后填土高為9 m，臺后設(shè)有拉桿。橋臺處地質(zhì)情況為上層近20 m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(jìn)行軟基處理。實地勘察發(fā)現(xiàn)，橋頭下游一側(cè)有大量的后期土體堆載，且汽車超載現(xiàn)象嚴(yán)重。
?。ㄋ模榱瞬蛔钄嘟煌?，未對橋臺內(nèi)部進(jìn)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(zhì)條件下的此類橋梁病害從客觀上講與軟土變形有關(guān)。但病害的發(fā)生卻涉及到設(shè)計、施工、運營等方面的人為因素。
1、設(shè)計影響
?。?）由于軟土地質(zhì)的特殊條件，使得結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計與實際情況存在一定的偏差。就設(shè)計而言，對地質(zhì)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(dǎo)致病害的發(fā)生。
（2）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。
?。?）首先，“m”法假設(shè)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(zhì)不同只是系數(shù)大小的問題。這些假定與正常固結(jié)粘性土和一般情況下的砂土地質(zhì)情況基本符合，但對于軟土地質(zhì)，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(yīng)于單樁在地面處的水平位移為6～12 mm，而軟土地質(zhì)中的樁基位移量往往超出其限定范圍，尤其是軟土地質(zhì)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(dāng)樁基的位移量較大時，計算結(jié)果與工程實測值差異較大。
?。?）其次，“m”法按ah=4的條件確定‘有效樁長’，即認(rèn)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(guān)。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(guān)資料顯示，在軟土地質(zhì)條件下，設(shè)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(dǎo)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(zhì)對結(jié)構(gòu)物所形成的附加荷載在設(shè)計中未考慮周全，也是導(dǎo)致病害發(fā)生的原因之一。由于軟土地質(zhì)的變形作用，軟土地質(zhì)條件下的構(gòu)造物較非軟土地質(zhì)下的構(gòu)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(zhì)上的后加載，在導(dǎo)致樁周土下沉產(chǎn)生負(fù)摩阻力的同時，還可能使土體產(chǎn)生側(cè)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(nèi)進(jìn)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(chǎn)生的水平附加力，此水平附加力在設(shè)計中若未加以考慮，則有可能造成構(gòu)造物基礎(chǔ)的破壞。
?。?）從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度上講，橋臺附近一定范圍內(nèi)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)物破壞外，還可能導(dǎo)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(zhì)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(gòu)造物施工的順序上。在軟基處理的過程中，軟土地質(zhì)的壓縮性使土體產(chǎn)生較大的橫豎向壓縮變形，這一變形對處于其中的構(gòu)造物形成作用力。豎向壓縮對構(gòu)造物產(chǎn)生負(fù)摩阻力，水平向變形對構(gòu)造物產(chǎn)生水平向推力。軟基處理若在樁基形成后進(jìn)行，除可能對樁基形成負(fù)摩阻力外，還將對樁基形成水平壓力，當(dāng)此水平力足夠大時，極可能造成斷樁。實際工程中，由于構(gòu)造物先于軟基處理施工而引起結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，同時，孔壁土體孔隙水壓力上升，使樁周及樁端強(qiáng)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(shè)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(jié)構(gòu)恢復(fù)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(nèi)的增加，對承載力的提高及利用均不利。
3、后期環(huán)境影響
（1）橋位周圍環(huán)境對軟土地質(zhì)的不良影響也是誘發(fā)橋梁病害發(fā)生的原因。當(dāng)臺側(cè)堆載時，由于軟土地質(zhì)強(qiáng)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(chǎn)生壓力，除了可能增加縱橋向的土體變形外，橋臺兩側(cè)的不平衡或單側(cè)堆載，還將使土體產(chǎn)生橫向變形，對橋梁樁基產(chǎn)生橫橋向推力，造成樁基偏位。此外，任何超負(fù)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(jīng)分析，該位移與橋頭單側(cè)大量的后期土體堆載有關(guān)，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(zhì)的客觀因素與設(shè)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(jié)果。
四、病害治理方案
?。?）軟土地質(zhì)條件下的橋梁病害主要反映在由于地質(zhì)環(huán)境的不利影響而造成的構(gòu)造物破壞。對其治理一般可考慮從改善包括地質(zhì)條件、周邊環(huán)境在內(nèi)的構(gòu)造物外部環(huán)境和加強(qiáng)構(gòu)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(yīng)根據(jù)實際情況，綜合考慮結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)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(yuǎn)離河岸臨空面，減少橋臺填土高度，對必要地段進(jìn)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(jīng)濟(jì)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(shè)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(shù)，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(jié)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(jié)構(gòu)性很強(qiáng)，結(jié)構(gòu)未被破壞時外觀無流動現(xiàn)象，但一經(jīng)擾動破壞，強(qiáng)度即明顯下降。橋位處為近20 m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(jié)構(gòu)產(chǎn)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(jié)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(jìn)一步的地質(zhì)勘察表明，橋臺附近淤泥層物理力學(xué)指標(biāo)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(jié)構(gòu)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(gòu)造本身進(jìn)行處理，而是通過加固1#墩來分擔(dān)橋臺受力，緩解臺后壓力對結(jié)構(gòu)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(chǔ)，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(shè)置注漿導(dǎo)管，進(jìn)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(jìn)行土體側(cè)向位移觀測，以及時掌握橋位土體變位情況。
（5）該工程病害治理后，經(jīng)過幾年的運營，被加固的構(gòu)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(jìn)一步說明了未作軟基處理的土體在外荷作用下，對橋梁產(chǎn)生的不利影響。近期也對3#墩進(jìn)行了加固。為了進(jìn)一步掌握橋位處的地質(zhì)變化情況，目前仍在繼續(xù)進(jìn)行土體變位觀測。
五、預(yù)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(dǎo)作用。在對橋位的軟土分布狀況、物理力學(xué)特性以及可能出現(xiàn)的變形情況有足夠認(rèn)識的前提下，通過完善的設(shè)計，預(yù)計施工、運營環(huán)境對土體作用產(chǎn)生的后果，以及土體變化對結(jié)構(gòu)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(shè)計、施工以及后期的維護(hù)上講，主要可以考慮以下幾方面對策。
1、橋梁長度的確定
（1）經(jīng)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(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。
?。?）路線經(jīng)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(shù)、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(yù)見因素，尤其是高填土橋臺，構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)物病害時有發(fā)生，橋頭跳車問題也較突出，未達(dá)到理想的效果。
（3）處于軟土地質(zhì)條件下的跨河橋梁，橋臺應(yīng)盡量遠(yuǎn)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(cè)臨空面與臺后的土壓力差對樁基產(chǎn)生的不利影響。且相對于靠近陡邊坡河岸設(shè)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(hù)道的作用，可避免土體變形對樁基產(chǎn)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(gòu)造費用多于短橋方案，但其軟基處理和下部構(gòu)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(guān)構(gòu)造措施
?。?）軟基處理時，從根本上消除軟土對結(jié)構(gòu)物的不利影響，是避免軟土地質(zhì)條件下橋梁病害發(fā)生的有效措施。對于可能對構(gòu)造物產(chǎn)生不利影響的區(qū)域，如橋臺、陡坡岸上或臨近橋臺的橋墩附近，均應(yīng)根據(jù)軟土的物理力學(xué)指標(biāo)、軟土厚度，進(jìn)行相應(yīng)的軟基處理，改善構(gòu)造物的外部環(huán)境，以避免軟土的水平方向變形對樁基產(chǎn)生附加水平力，并消除蠕動隱患。
（2）在橋臺結(jié)構(gòu)的選擇上，宜采用抗水平荷載能力強(qiáng)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(zhì)條件下不宜采用。即使橋臺附近的軟土進(jìn)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(yīng)慎重。群樁基礎(chǔ)肋式臺水平抗推剛度較大，抵抗水平荷載的能力較強(qiáng)，在軟土地質(zhì)上被廣泛采用，效果較好。
?。?）軟土地基由于強(qiáng)度低、易變形，各種不可預(yù)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(yù)見因素的影響而變化。樁基設(shè)計除了在承載力上留有余地外，樁基受彎剪的范圍也應(yīng)考慮留有更大的余地，一般在軟土層內(nèi)不減少樁基配筋量，更不能在該區(qū)段設(shè)置素混凝土樁。
3、結(jié)構(gòu)設(shè)計計算上的探討
（1）軟土地質(zhì)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(yīng)根據(jù)實際的受力特點加以分析。
?。?）就計算方法而言，用假設(shè)‘有效樁長’，計算樁的最大彎矩及彎矩零點進(jìn)行配筋的常規(guī)方法，在軟土地質(zhì)條件下應(yīng)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(dǎo)致配筋長度的不足。在樁基變形較大的情況下，計算應(yīng)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(jié)果接近實際情況。同時，當(dāng)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(jìn)行對比計算，這是需要進(jìn)一步探討的問題。
?。?）當(dāng)軟土地質(zhì)有可能因某種外力作用產(chǎn)生變形時，如橋臺附近未作軟基處理，或未能在構(gòu)造物實施前達(dá)到軟基處理的最終效果時，還應(yīng)考慮包括軟土豎向和橫向變形在內(nèi)，作用于樁基的附加力。
4、設(shè)計與施工的配合
設(shè)計與施工的偏差在所難免，而在人為能控制的范圍內(nèi)，設(shè)計與施工密切配合，能使實施與設(shè)想的情況相吻合，減少人為因素導(dǎo)致病害發(fā)生的可能性。如前病害原因分析所述，軟土地質(zhì)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(guān)，應(yīng)予充分重視。
5、運營中的管理
良好的運營管理是保障結(jié)構(gòu)正常使用的前提。嚴(yán)禁在墩臺附近堆、挖土，嚴(yán)格控制車輛超載。不平衡或單側(cè)堆載都有可能引起土體變形，對橋梁樁基產(chǎn)生附加推力。同時，任何超負(fù)荷的加載都有可能引發(fā)具有蠕動傾向的土體產(chǎn)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(yīng)加強(qiáng)對地基及結(jié)構(gòu)物的后期觀測，尤其注意變形觀測。對有可能產(chǎn)生蠕動變形的地質(zhì)更要加以注意。
六、結(jié)語
橋梁補(bǔ)強(qiáng)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(shù)上可行、有較好耐久性等方面的要求。補(bǔ)強(qiáng)加固是通過加大或修復(fù)橋梁構(gòu)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(jié)構(gòu)形式為原則，只有在較復(fù)雜的情況下，才可考慮更改結(jié)構(gòu)形式。如果采用補(bǔ)強(qiáng)加固的方式仍不能達(dá)到交通運輸要求，則必須考慮進(jìn)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(jīng)成功完成補(bǔ)強(qiáng)加固的橋梁的施工。采用擴(kuò)大或增加橋梁構(gòu)件斷面的方法進(jìn)行加固前，應(yīng)考慮增加部分與原有部件的結(jié)合效果。
隨著橋梁技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)耐久性問題引起人們的廣泛關(guān)注。病害的治理和預(yù)防作為耐久性問題的重要內(nèi)容，成為人們關(guān)注的焦點。由于軟土地質(zhì)結(jié)構(gòu)多變性的緣故，軟土地基橋梁病害發(fā)生、發(fā)展的可預(yù)見性較差，且病因較復(fù)雜，這增加了結(jié)構(gòu)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(shè)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(zhì)下橋梁病害的治理及預(yù)防有所幫助。
