堆載引起的橋墩偏位受力分析及修復處治

王敏鑒,錢 力,易清鵬

（四川公路工程咨詢監(jiān)理有限公司,四川 成都 610041）

0 引言

五橋互通主線橋共11 聯(lián)，全橋主體結(jié)構(gòu)完成施工后，橋梁右側(cè)出現(xiàn)大量棄方，第11 聯(lián)橋墩發(fā)生了嚴重偏位和開裂。該文從橋梁病害成因分析、結(jié)構(gòu)驗算、橋墩修復等方面介紹了該橋的維修設(shè)計過程。

1 工程概況

該橋左幅第11 聯(lián)為6×30 m 先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T 梁；右幅第11 聯(lián)為5×30 m 先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T 梁。橋墩采用圓柱墩，最大橋高25 m（圖1）。橋墩樁基采用嵌巖樁，樁端嵌入中風化砂巖約3 倍樁徑。

圖1 第11 聯(lián)立面及平面

該橋場地地質(zhì)情況自上而下依次為素填土、強風化砂巖、中風化砂巖，覆蓋層厚度為5~8 m。

2 橋梁病害情況

該橋第 11 聯(lián)主體結(jié)構(gòu)完成施工并澆筑橋面現(xiàn)澆層后，右側(cè)出現(xiàn)大量棄方，隨即發(fā)現(xiàn)橋墩發(fā)生了嚴重的橫向偏位和開裂，具體情況如下：

2.1 橋面系病害

該橋左幅橋護欄及伸縮縫未發(fā)現(xiàn)明顯病害；右幅橋護欄發(fā)生橫向相對錯位12~15 cm，右幅49#墩處伸縮縫橫向錯位、損壞。

2.2 支座病害

該橋第11 聯(lián)支座主要病害為支座移位、脫空和剪切變形，特別是左幅橋51 號墩~52 號墩和右幅橋50 號墩~51 號墩支座出現(xiàn)翹曲變形。

2.3 上部結(jié)構(gòu)病害

該橋第11 聯(lián)右幅橋發(fā)生明顯橫向移位，未發(fā)現(xiàn)梁體開裂、明顯破損等其他病害。

2.4 下部結(jié)構(gòu)病害

該橋左幅橋51 號墩~52 號墩底及樁頂均出現(xiàn)環(huán)形裂縫，裂縫最大寬度為0.35 mm；右幅橋49 號墩~51 號墩底及樁頂出現(xiàn)環(huán)形裂縫，裂縫最大寬度為0.22 mm。樁頂系梁出現(xiàn)多條π 形裂縫，裂縫最大寬度為0.80 mm。

根據(jù)檢測資料，該橋第 11 聯(lián)橋墩發(fā)生嚴重橫向偏位， 部分橋墩樁頂偏位大幅超過規(guī)范限值，樁頂最大偏位達 770 mm （表1）。檢測報告所列樁頂偏位為實測樁頂坐標與施工驗收資料的差值。

表1 第11 聯(lián)樁頂偏位

橋墩橫向偏位帶動蓋梁擋塊與梁體發(fā)生擠壓，擋塊處發(fā)生嚴重破損，擋塊出現(xiàn)斷裂，甚至完全掉落。左幅橋51 號墩~52 號墩及右幅橋50 號墩~51 號墩蓋梁擋塊破壞嚴重。

3 病害原因分析

該橋第11 聯(lián)處原地貌為溝谷地帶，線路位于左低右高的斜坡面上。橋梁主體結(jié)構(gòu)建成后，橋址附近其他工程在右側(cè)大量堆載棄方約70 000 m3，加之雨水侵蝕，使得棄土與原覆蓋層一起沿著土石分界線滑動，引起多處地表開裂，滑動的土體對橋梁下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的水平推力，導致橋墩發(fā)生偏位，樁基與周圍土體脫空[1]。下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)發(fā)生相對位移，進而引起支座剪切變形、翹曲，擋塊斷裂，護欄錯位，伸縮縫損壞等病害。

通過現(xiàn)場棄方堆載與橋梁病害發(fā)生的時間關(guān)系、橋墩偏位方向和擋塊、支座的損壞情況，以及地表裂縫變形特征，可以判定橋梁墩柱偏位、開裂等病害為橋區(qū)右側(cè)棄方堆載誘發(fā)坡體變形所致，是典型的下部結(jié)構(gòu)受外力作用產(chǎn)生的病害[2]。

依據(jù)相關(guān)規(guī)范、原橋設(shè)計圖紙、檢測資料，對五橋互通主線橋第11 聯(lián)左幅及右幅橋建立有限元模型，進行結(jié)構(gòu)分析計算（圖2）。

圖2 左幅第11 聯(lián)計算模型

計算模型對樁基的受力狀態(tài)作了一定的簡化，假設(shè)巖面以上土體對樁基產(chǎn)生橫向水平推力，水平荷載作用范圍為地表至土石分界線，樁基在側(cè)面所受的荷載為均布荷載。樁基從巖層頂面至樁底采用土彈簧進行約束。由于樁基所受的水平荷載大小無法預估，因此荷載大小通過反復試算確定，直到計算樁頂位移與檢測報告數(shù)據(jù)基本吻合為止。

在試算過程中，出現(xiàn)樁基鋼筋應力達到屈服強度時，樁頂位移未達到實測偏位的情況，樁基已處于破壞狀態(tài)，此時繼續(xù)加大荷載，會導致計算結(jié)果失真。讀取此時的樁頂偏位，與實測數(shù)據(jù)進行對比，可判定樁基鋼筋實際受力狀態(tài)是否已經(jīng)屈服。

計算過程中如果樁頂系梁鋼筋達到屈服強度，對模型進行修正，釋放系梁兩端轉(zhuǎn)動約束，使計算結(jié)果更接近實際狀態(tài)。

根據(jù)計算結(jié)果左幅橋50 號~52 號橋墩、右幅橋49號~51號橋墩樁基鋼筋屈服時樁頂位移遠小于實測偏位，樁基已處于破壞狀態(tài)。以左幅為例，樁基鋼筋屈服時樁頂位移與實測偏位的關(guān)系見圖3。這些橋墩編號與出現(xiàn)墩底及樁頂裂縫、支座破壞、擋塊開裂的橋墩編號基本吻合。樁基鋼筋屈服部位發(fā)生在地面以下至土石分界線范圍內(nèi)，從外觀無法進行檢測，計算結(jié)果對樁基受力狀態(tài)的判定起到了有力的支撐作用。

圖3 左幅11 聯(lián)橋墩樁頂偏位

其余橋墩樁頂位移達到實測數(shù)據(jù)時，鋼筋應力、裂縫寬度處于規(guī)范限值以內(nèi)。

根據(jù)計算結(jié)果及檢測資料綜合分析，左50 號/右49號、左51 號/右50 號、左52 號/右51 號這3 排橋墩樁基破壞嚴重，擬對這3 排橋墩及樁基礎(chǔ)拆除重建。對其余橋墩擋塊、支座、伸縮縫等病害進行修復處治，對梁體移位進行復位處理。

4 橋梁病害處治

該橋發(fā)生病害后，立即對橋梁右上方棄土進行了清除，并設(shè)置了抗滑樁。根據(jù)監(jiān)測分析，土體變形趨于收斂，有利于橋梁修復工作的開展。

經(jīng)過多方案比較，該橋采用永臨結(jié)合的方式，內(nèi)側(cè)臨時支架樁基同時作為新建橋墩永久樁基礎(chǔ)。首先采用臨時支架對上部結(jié)構(gòu)實施整聯(lián)同步頂升復位，再拆除原有蓋梁及墩柱，在永臨結(jié)合樁基上澆筑新的承臺替換原有樁基礎(chǔ)，再重建墩柱及蓋梁，實現(xiàn)下部結(jié)構(gòu)替換[3]。橋墩處治示意圖見圖4。

圖4 橋墩處治示意圖

內(nèi)側(cè)永臨結(jié)合樁基直徑1.6 m，設(shè)置在原樁基兩側(cè)，保證最小間距要求；外側(cè)臨時樁基直徑1.2 m；鋼管柱直徑0.8 m，下端灌注混凝土。承臺混凝土澆筑時將內(nèi)排鋼管柱下端包裹在內(nèi)。重建橋墩施工完成重新落梁后，切除承臺以上鋼管柱，并恢復承臺頂面鋼筋。承臺平面見圖5。

圖5 新建承臺基礎(chǔ)平面

5 結(jié)語

橋下堆載容易引起地表變形，引起墩臺及基礎(chǔ)偏位，破壞橋梁整體結(jié)構(gòu)，影響橋梁正常使用。

該橋?qū)ο虏拷Y(jié)構(gòu)的修復方案經(jīng)過多方案比較，采用永臨結(jié)合的方式，較好地解決了墩位處有限平面內(nèi)永久樁基及臨時樁基的布置問題，經(jīng)實踐表明處治效果良好。