软基桥梁墩台病害分析及对策

陈德春

(安徽省合肥市公路局长丰分局,安徽长丰231100)

·桥梁工程·

软基桥梁墩台病害分析及对策

陈德春

(安徽省合肥市公路局长丰分局,安徽长丰231100)

在软土地基上如何实现桥梁墩台设计与桥位地基综合治理的有机结合,提高桥梁不同阶段的安全性、经济性,是广大工程设计和施工人员应普遍重视的问题。在此论述了软土地基区域桥梁病害类型,分析产生病害的原因,针对设计、施工过程提出相应的处理措施,供同行参考。

桥梁工程;软土地基;桥台沉降

0 引言

软土地基广泛分布在我国沿海地区以及内陆平原或山区的河谷滩地[1]。在软土地基区域的高速公路修建、运营过程中,时常发生桥梁墩台沉降或侧移等工程病害,虽然这些工程问题得到了妥善的处理,但是造成了工程费用的增加,也影响了桥梁的耐久性。

1 桥梁病害产生及形成的原因

1.1 桥梁墩台的沉降

对于软土地基上采用桩基础的桥台,由于桥台背填土,使得地基软土层发生较大的压缩沉降,土体对桩基产生负摩阻力,若桩尖未找到较好的持力层,桥台也会发生沉降。由于地基承载力不足及下卧软土层的高压缩性,桥台采用重力式扩大基础,极易造成桥台的整体沉降。桥梁墩台的不均匀沉降,会引起上部结构的开裂和破坏,影响结构的安全性、耐久性。

1.2 桥台向桥跨方向倾斜和滑移

桥台台后填土会产生较大的主动土压力作用于台身,桥台除自身结构产生平衡抗力外,软土地基不能为其提供有效的侧向平衡力,桥台变形随之产生。随着时间的推移逐渐发展,最终会导致地基失稳,使桥台发生倾斜和滑移。此类病害引起桥梁伸缩装置破坏,使伸缩机能部分或完全丧失,严重时还会发生梁与背墙互相挤压,导致背墙或梁端破坏、剥落;这种病害也时常发生在台背填土施工过程中,使桥台倾斜或滑移,导致桥台破坏以及上部构造安装不能就位。

1.3 桥台基础不均匀沉降

地基软土层分布及各层物理特性存在差异。修建在软土层上的桥台基础,由于受到地基压实下沉和地下水位升降的影响,会产生不均匀沉降。桥台基础不均匀沉降会引起台身的倾斜、背墙的剪裂缝、承台或基础的自下向上的竖向裂缝,影响桥梁的正常受力状态和正常使用。

1.4 桥台与台后路堤的沉降差

软土路段的桥梁一般采用桩基础,以不变形的刚性地层或承载力高而变形量小的相对硬层作为桩尖持力层。由于桥台本身沉降不大,桥头路堤直接落于软土层之上,两者之间存在一定的沉降差,加之台后填土自身产生的压密沉降,易引起桥头跳车,影响行车的安全性和舒适性。

2 设计方法及对策

桥位工程地质资料是桥梁设计的主要依据,软土层工程力学参数,大部分取自于钻探取样原状土室内试验结果,在实际操作过程中,难免对灵敏度高的软土原状结构有扰动,影响试验结果。因此,软土地基工程地质勘察,应采取综合勘探手段,通过原位测试结合原状土室内试验,综合确定软土层的物理力学参数,才能比较准确地反映土的自然属性及工程属性,为桥梁桥型、墩台型式、台后填土高度及桥台前后地基处理,提供可靠的工程地质依据,从而确定切实可行的设计方案。

2.1 桥位地基处理

常用的桥位软土地基处理有以下几种方法:

(1)桥头地基软土比较薄的路段采用换填法,即可取得比较好的处理效果,将软土的一部分或全部挖去,换填以砂砾、卵石、片石等渗水性或强度较高的粘土,提高地基强度,增加抗滑阻力,减小沉降量。

(2)软土层较厚路段可采取排水固结法。即在软土地基地面铺设0.6～1.0m厚砂砾垫层后,按适当的间距在地基内设置垂直的袋装砂井或塑料排水板,构成立体的排水系统。在路堤荷载的作用下,通过排水系统加速地基中土粒骨架间排水作用引起固结沉降,从而提高地基强度,并能有效控制地基剪切变形。但要取得预期的处理效果,需要有充分的排水固结时间。若工期受到限制,可采用真空联合堆载预压,加速土层中孔隙水的排出,缩短固结时间,要求真空预压封膜下的真空度不宜小于70kPa[2]。

(3)深层搅拌桩加固法。将水泥以水浆或粉末状态往地基喷射灌注并强制搅匀,使软土硬结成具有整体化、有足够强度的水泥加固土,从而提高地基强度和增大变形模量,同时该方法能有效地减小沉降量,如果能达到一定的加固深度,工后沉降可以控制在满足设计要求的范围之内。

2.2 台后填料处理

通过台后填土高度、台后填料及台后构造处理等,达到减少台后土压力,减小垂直作用荷载,减少由于填土对软土层产生流变的压力差的效果。具体有以下几种措施:

(1)降低填土高度。“极限填土高度”是天然软土地基允许填土高度的临界值,当填土高度大于此值,地基将发生破坏[2]。软土地区桥台填土高度应以小于“极限填土高度”为原则。台后填土高度越低,桥台前移的可能性就越小。

(2)台后填土采用轻骨料。台后填土采用透水性能好的轻质骨料,或强度高、变形小、老化慢的土工合成材料,减轻台后土压力,达到防止桥台前移的目的。

(3)台后填土分离。台后设置锚定板挡土结构,将填土与台身分离,台身主要承受上部结构传来的竖向力和水平力,锚定板挡土结构承受填土的主动土压力。

(4)埋设涵管。在台后埋设涵管或箱涵,通过这种方法减轻土重,同时涵管的设置可以破坏滑动面,从而使台后土体的滑动不能正常进行,从而改善桥台的受力状况。

(5)反压护道法。在路堤两侧和桥台锥坡锥体前同时填筑一定宽度和高度的护道或放缓边坡,使软基向两侧隆起的趋势得到平衡,以增加抗滑动力矩,阻止路堤和锥体滑动破坏,减少对桥台的水平力。反压护道的高度,一般为路基高度的1/2～1/3,反压护道由于占地较大,一般仅在高填土路段的桥头局部使用。

2.3 桥梁墩台结构处理

为防止桥台出现病害,除了考虑软土地基处理和台后填土处理外,桥梁结构的选择也是不可忽视的因素。

(1)桥孔布置时,墩台布置位置应尽量避开可能产生滑坡的地段,适当增加桥跨、延长桥长,使桥台台前坡脚离河岸留有一定距离,减小填土的相对高差,能有效防止墩台向河心滑移,以保证墩台的稳定。

(2)上部结构应尽量采用自身重量轻且能适应软土地基的桥梁结构形式,当基础发生轻微不均匀沉降时,桥梁上部构造仍能正常工作或不发生破坏,首选简支结构桥梁。

(3)当软土层较厚时,尽量采用整体稳定性好的桥台形式,如双排桩基础、双肋式桥台,桥台结构本身可以抵抗较大的水平推力。

(4)有效利用桥跨结构或简单的附加设置,来平衡水平力。在台后填土中埋置锚定块,设置拉杆与台身连接,利用锚定板的抗拔力平衡台身的水平力;对小跨径结构,墩台的基础间设置支撑梁,直接抵抗水平推力。

(5)桥台搭板长度应结合软土厚度来确定,一般变化范围为6～10m,软土较厚处选用较长的搭板,可减少台后软基路堤沉降的可能性,并可帮助实现从桥跨到路基的平稳过渡。

2.4 施工工艺

在软土地区相同的桥梁结构和桥台处地基处理方案,采用不同的施工工艺和施工顺序,可能会导致不同的结果。施工中应随时观测结构的稳定情况,调节施工节奏,使桥梁结构在施工的各阶段始终保持安全的状态。

(1)在桥台桩基施钻之前,先进行台后路基填土碾压,填筑的高度一般不小于台背填土高度的1/2～2/3,填筑范围为路堤和锥坡范围,并有充分的预压时间,使软土地基的沉降变形相当一部分产生在桩基成形之前,然后反开挖填土至桩顶高程处钻孔,可保证桥台及桩基的稳定性。

(2)台后填土应按倒锥形分层堆填,分层压实并保证足够的压实度,以便尽可能减少竣工后台后填土自身的压密沉降量。

(3)软土地基的强度主要是通过排水固结得到不断的提高,而排水固结是一个较为缓慢的过程,所以在短时间内台后路基填筑速度过快,软土层未发生应有的固结变化,就会引起流塑变形,导致地基失稳破坏,影响桥梁结构的安全。因此,施工过程中应加强观测监控,及时分析观测成果,确定合理的填土速度,以保证工程质量与结构安全。

综上所述,只要设计和施工措施得当,软土地基路段的桥梁病害是可以预防的,桥梁结构在各阶段的安全是可以保障的。

[1] 顾晓鲁.地基与基础[M].北京:中国建筑工业出版社,1995.

[2] J TG D30-2004.公路路基设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

责任编辑:钱让清

U443.86

A

1671-8275(2010)01-0018-02

2009-10-20

陈德春(1965-),男,安徽长丰人,合肥市公路局长丰分局工程师。