公路橋梁樁基礎病害成因及處治方案

栗洪星

（保定市交通運輸局公路事業(yè)發(fā)展中心，河北保定 071000）

0 引言

近些年，公路橋梁垮塌事件頻繁發(fā)生，尤其是在役的舊橋，由于設計載荷等級較低、使用年限的增加，構件老化、擴大基礎埋深較淺、樁基礎樁長較短等原因，在重載、超載車輛、洪水等情況下極易發(fā)生垮塌。其中，基礎沖刷作為造成運營階段公路橋梁垮塌的主要病害之一，表現(xiàn)為突發(fā)性和毀滅性，嚴重威脅著人民生命財產(chǎn)安全[1]。

相關學者也對此展開了統(tǒng)計和研究，如王楓等[2]對國內(nèi)外2017—2019 年橋梁坍塌事故發(fā)生的時間、地點、傷亡人數(shù)及原因進行了統(tǒng)計分析。結果發(fā)現(xiàn)，橋梁運營期事故主要原因是運營養(yǎng)護不當及超載。國外新建橋梁的事故數(shù)少于運營階段橋梁事故數(shù)，橋梁運營期事故大部分與養(yǎng)護不當相關；秦泗鳳[3]收集了2000—2019 年中國151 座橋梁水毀事故情況，首先闡述中國5 個典型橋梁水毀案例，之后分析了151 座水毀橋梁的地理分布特征、橋齡分布特征、橋梁類型分布特征、時間分布特征。結果發(fā)現(xiàn)，橋梁水毀事故的主要原因包括超預期洪水、舊橋、過度采砂等，既有自然因素也有人為因素。

本文以某工程實例為背景，針對橋梁樁基礎沖刷嚴重、樁基礎埋深較淺病害，結合橋梁周邊情況，分析橋梁基礎受力，提出了加固改造方案并進行比選，給出最終推薦方案，已通過專家評審。

1 工程背景

1.1 工程概況

某公路橋梁全長220.6 m，橋面全寬17.5 m。該橋上部結構為現(xiàn)澆鋼筋混凝土簡支T 梁，跨徑組合為13×16 m，支座為橡膠支座，下部結構為樁柱式橋墩，單排3 根樁基礎。設計載荷等級汽車-20 級，掛車-100，設計洪水頻率為百年一遇。該橋位河床為人工改造形成，上游建有琴江水電站，河道水位變化受水電站排水影響。

根據(jù)勘察鉆孔揭示的地質(zhì)資料，場地內(nèi)鉆孔揭露深度內(nèi)的巖土層為第1 層素填土，該層不考慮其地基承載力。第二層強風化泥質(zhì)粉砂巖，為極軟巖，地基容許承載力［fa］=500 kPa，樁側摩阻力標準值qik=100 kPa。第三層為中風化泥質(zhì)粉砂巖，為軟巖，地基容許承載力［fa］=1500 kPa，巖石抗壓強度fr=9.0 MPa，樁側摩阻力標準值qik=150 kPa。

根據(jù)原橋竣工圖紙，該橋樁基礎直徑1.2 m，樁長5～7 m，支撐于中風化巖層，按嵌巖樁設計。2018 年12 月，該橋兩側進行了拓寬設計，拓寬幅橋梁為2×16 m，預應力空心板+3×32 m，預應力簡支小箱梁+2×32 m，預應力簡支小箱梁+1×18 m，預應力簡支小箱梁。下部結構采用柱式墩、樁基礎，樁基礎長度25 m，嵌巖樁設計。

1.2 基礎病害情況及成因分析

2020 年對該橋進行了檢測，根據(jù)檢測情況，該橋下部結構主要病害為河床鋪砌存在大面積破損，外露樁基礎沖刷、露骨現(xiàn)象嚴重，其中11 號、12 號樁基礎埋深僅0.9 m，10-1 號樁基礎埋深僅1.14 m。結合橋梁河床及周邊實際情況，分析主要病害成因為：①在水流的不斷沖刷下，河床鋪砌出現(xiàn)破損；②鋪砌破損后，水流沖刷樁基礎，由于部分樁基礎保護層厚度不足或施工質(zhì)量欠佳，出現(xiàn)露骨；③由于原樁基礎樁長較短，河床沖刷后，導致樁基礎長度埋深較小，嚴重威脅橋梁安全。

2 基礎入巖深度現(xiàn)狀分析

根據(jù)JTG 3363—2019《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》中對于樁嵌入基巖中有效深度的計算公式，驗算該橋水中1～12 號樁基礎嵌入基巖中（不計強風化層、全風化層及局部沖刷線以上基巖）的有效深度hr，對比該橋樁基礎實際如中風化巖層的深度h：

根據(jù)式（1）進行驗算，結果顯示該橋梁9～12 號樁基礎有效入巖深度不滿足規(guī)范要求。

3 處治方案研究

3.1 橋梁情況分析

（1）該橋關鍵病害為：舊橋樁基礎沖刷后，樁基礎埋深較小，其中11 號、12 號樁基礎埋深僅0.9 m，10-1 號樁基礎埋深僅1.14 m，嚴重威脅橋梁安全，需立即進行改造處治。

（2）針對樁基礎埋深較淺病害，如采用維修加固方案，最直接有效的方式為新增樁基礎，可采用原樁基礎間新增樁基礎或前后新增樁基礎變?yōu)槎嗯艠痘A等方案，但均需新增承臺與墩柱連接[4]。新增承臺時，如采用在現(xiàn)狀河床面以上新建，考慮到新增承臺尺寸順橋向寬度及豎向高度均較大，則將影響過水斷面，故無加固空間；如為不影響過水斷面，將承臺落于河床面以下，則需開挖河床，由于現(xiàn)狀樁基礎埋深較淺，無法開挖河床，不可行。

（3）根據(jù)拓寬幅設計過程，在設計過程中要求新建橋墩不得侵占排水渠，為此將橋跨進行了調(diào)整，調(diào)整后跨越水渠，不影響水渠現(xiàn)狀過水斷面，故舊橋加固改造需考慮不影響現(xiàn)狀水渠排水。

（4）對舊橋進行新增樁基礎加固。水渠范圍內(nèi)的10～12 號墩，由于既無法將新增承臺置于河床面以上（影響水渠排水），也無法開挖（原樁基礎埋深過淺），則此方案不可行，10～12 號墩難以通過維修加固保證結構受力需求。

（5）該橋現(xiàn)況舊橋與拓寬幅間距15 cm，且有多道防撞護欄，結合兩側道路情況，行車安全性、美觀性及舒適性較差。

3.2 處治方案

針對該橋樁基礎病害情況，提出以下兩種加固改造方案。

3.2.1 舊橋新增樁基礎加固

為充分利用現(xiàn)有橋梁，節(jié)約造價，減小橋梁改造施工對交通的影響，該次考慮對舊橋進行加固改造，對水中的2～9 號基礎采用新建承臺新增樁基礎加固，由于10～12 號墩不具備維修加固實施條件，故提出對10～13 跨橋梁進行改建，改建后橋跨與拓寬幅相適應，將4 跨改造為3 跨（原11、12 跨合并為一跨），一跨跨越排水溝渠，對其他部分橋梁進行維修加固。

3.2.2 全橋拆除重建

考慮到水渠內(nèi)10～12 號墩難以通過維修加固方案達到承載力要求，需對部分橋跨進行改建，徹底解決橋梁病害，并提高舊橋設計載荷等級，與拓寬幅相適應，同時減小橋梁對電站水渠排水的影響，該次提出對舊橋進行拆除重建方案。拆除后，與兩側拓寬幅橋梁跨徑統(tǒng)一，上部結構形式統(tǒng)一，變形協(xié)調(diào)，拼接設計簡單，下部結構墩臺基礎采用單排3 根鉆孔灌注樁基礎，嵌巖樁設計。

3.2.3 方案比選

對比兩種方案，舊橋維修加固及全部拆除重建均能改善橋梁受力狀況，提高結構的承載能力安全儲備。拆除重做舊橋，可徹底解決橋梁病害，同時提高設計載荷等級與拓寬幅協(xié)調(diào)一致，且可實現(xiàn)新舊橋橋面系的連接，行車舒適性好。維修加固方案雖造價相對較低，但也需拆除部分橋跨，施工較復雜，且新增承臺影響現(xiàn)狀斷面，同時不能提高設計載荷等級，拓寬幅利用性較差，經(jīng)濟性較差。通過綜合分析，結合專家評審意見，一致同意對該橋舊橋進行拆除重建。

4 施工要點及注意事項

4.1 舊橋拆除

考慮到該橋基礎埋深較深，舊橋拆除過程中有一定的擾動，為保證拆橋安全，拆橋過程中需持續(xù)監(jiān)測梁體及墩臺基礎變形，如有異常立即停止施工[5-6]。

4.2 新建樁基礎

考慮到該橋橋寬較大，為方便蓋梁施工，同時梁高盡量與兩側拓寬幅統(tǒng)一，該次仍采用3 根樁基礎，普通鋼筋混凝土蓋梁，新建樁基礎與舊橋樁基礎樁位有重合，施工難度相對較大，且外側樁基礎距離兩側拓寬幅樁基礎距離較近，為保證施工及拓寬幅橋梁安全，施工過程中應采用擾動較小的方式，并加強拓寬幅上、下部結構的觀測[7]。

4.3 鋼筋籠安裝

鋼筋籠安設時，應嚴格控制垂直度，確保滿足規(guī)范及設計要求；科學設置保護層墊塊，嚴格控制墊塊間距；準確確定吊筋長度，鋼筋籠安裝時仔細核對。對于鋼筋籠上浮的防治，首先需要嚴格按照配合比進行混凝土拌和，坍落度控制在（200±20）mm，確保具有良好的和易性；其次，嚴格控制混凝土澆筑速率，保證導管埋置深度處于2～6 m。

4.4 混凝土灌注

初次灌注時，需全面結合導管埋置深度、泥漿質(zhì)量等相關因素。首盤混凝土下放時需滿足導管埋置深度1 m。導管內(nèi)放置浮球，料斗下料后混凝土進入導管，浮球將混凝土與泥漿隔絕，混凝土推著浮球向下將其從導管口擠出?；炷翛_出導管后將孔底鉆渣抬升，導管口埋入混凝土內(nèi)。正常灌注時導管的實際埋深2～3 節(jié)為宜。初次灌注的混凝土方量較大時，會在一定程度上造成鋼筋籠出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，需采取有效措施防止鋼筋籠移位。

4.5 成孔過程中塌孔、縮徑、偏斜的防治

（1）塌孔的防治：需要根據(jù)規(guī)范要求科學制備泥漿，在雜填土、軟基層等地質(zhì)條件較差區(qū)域，應科學調(diào)整鉆孔速度；地下水位較高時，應適當加大水頭[8]。

（2）縮徑的防治：需要根據(jù)鉆孔直徑及地質(zhì)條件科學選擇鉆頭，確保鉆孔質(zhì)量滿足要求；實時檢查鉆頭情況，發(fā)現(xiàn)損壞及時更換；在容易發(fā)生縮孔位置，應合理調(diào)整泥漿黏稠度。

（3）樁孔偏斜防治：鉆機準確就位，并保證其垂直度、穩(wěn)定性滿足要求，鉆進時實時檢測并進行校正；嚴格檢查鉆頭、鉆桿性能，嚴禁使用缺陷鉆具；土質(zhì)硬度較大部位，應合理控制鉆進速率，避免強行鉆進；針對出現(xiàn)傾斜的鉆孔，應通過勻速、緩慢、上下重復掃孔，實施糾偏處理。

5 結束語

本文通過對沖刷后樁基礎埋深較淺、存在嚴重安全隱患的梁橋基礎加固改造方案進行分析，提出適宜該橋的改造方案?，F(xiàn)階段橋梁正在改造施工，已完成部分鉆孔灌注樁基礎，施工進展順利。目前我國仍存在大量的老舊橋梁，基礎沖刷問題仍較為普遍，針對不同的基礎類型及基礎沖刷程度，應充分考慮施工復雜程度、經(jīng)濟性、合理性和美觀性等各個層面，綜合分析，采取最優(yōu)方案，解決基礎安全隱患，保證橋梁結構安全。