某桥梁桩基维护方案的确定

申红军

（山西中交翼侯高速公路有限公司，山西 翼城 043500）

目前，我国高速公路桥梁的基础多采用桩基形式，桩基的承载力将直接决定整个桥梁结构以及日后运营的安全[1]。然而，由于各种原因使得桥梁桩基础地基条件改变，导致桩基承载能力降低，严重者桩基承载能力已经不能满足桥梁上部荷载要求，从而发生安全事故。为保证不因地基环境的改变导致承载能力下降，需要对桩基础或其周围土体进行维护加固，保证桥梁结构安全使用。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

某桥梁位于S80陵侯高速公路，跨越沁河。桥梁荷载等级按照85规范为汽-超20级设计，跨径组成为7×20 m，桥梁跨径总长为145 m，桥梁宽度为28.5 m。上部为简支空心板结构（桥面连续），下部为柱式墩台，基础为灌注桩基础，桩基础直径为1.5 m，墩柱直径为1.2 m。

1.2 工程概况

近年来由于当地村民在桥下挖掘砂土，致使桥梁桩基外露3～4 m，管理单位在发现该情况后，及时进行回填，回填后桩基仍外露2～3 m，但河床地面线已位于一般冲刷线上方。另外当地政府计划在该桥下游修建公园，需要筑坝引水于该桥梁下，桩基维护方案设计距引水时间仅有40 d时间。

该桥0号台与1号墩之间、6号墩与7号台之间已修筑河岸防护墙，且河床用碎石进行了铺砌，故0号台与7号台桩基已得到很好地保护；其他桩基均存在外露部分与系梁结合处混凝土浇筑质量较差的问题。

2 桩基维护思路

2.1 桩基现状

根据现场调查情况，并参考原设计图纸和水文地质勘探资料，大桥1号桩基外露部分仍处于一般冲刷线上方，而2～6号桩基外露部分已位于一般冲刷线与局部冲刷线之间。

原设计根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ 024—85)计算，桩基容许承载力只考虑局部冲刷线以下的土体与桩基础间的摩阻力，基础设计长度刚好满足结构承载能力要求，基本无安全储备。故目前该桥所有桩基承载力按原设计标准仍然是足够的，但考虑到公园筑坝蓄水后可能存在开闸放水，水流对河床将会产生冲刷，冲刷后河床线可能降低至局部冲刷线以下，进而导致桩基础承载力容许值不能满足上部荷载要求，基础发生沉降，从而影响桥梁结构安全性。

2.2 维护思路[2]

根据原设计图纸说明，该桥设计流量采用流域面积比拟法所推求结果作为设计流量，百年一遇流量为Q1%=689 m/s。原设计一般冲刷线及局部冲刷线也根据此确定，桩顶标高距局部冲刷线高差最小为4.81 m（2～5号桩基）。根据现场测量数据，现有河床桩基周围地面线高程、发生百年一遇洪水冲刷后的地面线高程及原设计局部冲刷线高程见表1。

表1 桩基周围河床地面线情况

如表1所示，目前桩基周围地面线仍全部位于原设计局部冲刷线上方，基础承载力是满足要求的；按原设计冲刷考虑，现有地面线在冲刷后将会低至原设计局部冲刷线以下，桩基承载力会出现不足。该桥桥墩桩基目前桩基承载能力足够。

根据以上情况，为防止在遇到百年一遇的水流冲刷后，桩基出现承载力不足的情况，必须采取措施提高桩基承载力，或通过防止冲刷的措施，保证桩基周围现有土体不被冲刷，维持桩基现有承载能力。

3 维护方案比选

3.1 维护方案

为保证桥梁安全运营，防止桥下蓄水后冲刷引起桩基承载力不足，并根据大桥桩基当前状况，提出如下3种比选方案。

3.1.1 方案一

如图1所示，在原桥桩基中间位置增加两根相同的桩基础，凿除原桩基间系梁，重新浇筑混凝土承台，将4根桩基础连接。

图1 新增桩基础方案

3.1.2 方案二

如图2所示，在桩基周围进行注浆，使得桩基周围土体固结成一个整体，保证桩基不受水流冲刷影响，注浆后可以同时提高桩土之间摩阻系数，确保了桩基础承载的安全性。

图2 桩基周围注浆加固方案

3.1.3 方案三

如图3所示，在桩基上游和下游6 m处开始砌筑截水墙，防止水流对桩基周围土体的冲刷；此外，在桩基周围5 m范围内铺砌碎石垫层和浆砌片石铺砌，进一步保护桩基周围的土体不会受到水流冲刷。

上述3个方案中，方案一是通过增加桩基数量从而提高整体承载能力，方案二与方案三是通过采取维护措施，保证桩基础周围土体不被水流冲刷走，保证了原设计桩基承载力不会损失。此外，由于大桥桩基与系梁结合处混凝土浇筑质量较差，为防止蓄水后出现耐久性病害，方案二与方案三都自墩柱系梁顶部向下2.3 m范围内的桩基截面进行加大20 cm处理。

图3 砌筑截水墙并在桩基周围铺砌方案（单位：cm）

3.2 方案比选[3]

针对以上提出的3个维护方案，并根据工程实际情况，对其进行优缺点对比，从而确定出最优维护方案。

3.2.1 方案一

通过在原桩基间新增两根同样参数的桩基础，然后通过承台将4根桩基础进行连接。

a）该方案优点为增加了两根同样的桩基础，在新增桩基能够共同受力的前提下，较大地提高了桩基础承载能力，发生百年一遇水流冲刷情况后，桩基承载力仍有较大的富余，能够很好地保证桥梁运营的安全性。

b）其缺点主要是该方案需要在桥下进行灌注桩基础施工，该桥桥下净空只有4 m左右，钻孔机械受限制不能使用；原设计桩基长度为25 m，采用人工挖孔时，需要组织专家进行专项方案评审，占用了有效施工时间；此外，根据原地质勘测情况，河道中存在较厚的砂土层，人工挖孔危险性较大；此方案最大的缺点就是施工时间较长，在桥下蓄水之前完工的难度太大。

3.2.2 方案二

通过在桩基础周围注浆将桩基周围土体固结为一个整体，防止土体受到冲刷，保证桩基承载力。

a）该方案优点为若注浆效果能达到预期，则桩基周围土体在固结后，能有效地防止水流的冲刷，且注浆完成后，桩基与固结土体的摩阻系数与之前相比能够增大20%～30%，提高了桩基承载力，从另一方面更好地保证了桥梁运营的安全性。

b）此方案缺点为河道中土层大部分为砂性土，但其中夹杂黏性土层，采用压力注浆法不能保证黏性土层中注浆效果达到设计要求；注浆面积较大，在有限的工期内需要大量的人工和机械在现场施工，且由于需要大方量的注浆，费用也较高；若注浆效果不能达到设计要求，后期一旦出现问题，将很难进行再次的维护加固。

3.2.3 方案三

在大桥上下游两侧各增设了一道截水墙，并在桩基周围进行铺砌。该方案优点为施工工艺简单，主要为土石方工程，截水墙采用片石混凝土，铺砌采用浆砌片石，工艺单一，施工速度快，能在较短的时间内完成；截水墙砌筑和浆砌片石铺砌施工较方案二具有较大的把握性，能够保证维护效果；此外，该方案在工程造价上也比方案二经济，节约了大量资金。

该方案需要对截水墙底部的土层进行标贯试验，必要时采取措施，保证土体的承载能力，防止截水墙出现不均匀沉降或大范围的断裂。

根据以上所列，3种方案优缺点综合对比后，方案三的优势较为明显，最终采用方案三对该桥桩基础进行维护。且根据现有状况，对桩基与系梁结合处截面进行加大，保证蓄水后此部分混凝土的耐久性。

4 结语

桩基础在地震力作用下的变形小，稳定性好，在我国高速公路桥梁建设中大量应用，由于早期规范对现有活载考虑不足，或桩基础周围环境变化导致桩基础承载能力不足，这类问题在今后将会较多地出现，在针对不同的工程情况时应采用合理的方法对相应的问题进行处理，对症下药并采用最优方案，保证结构物安全性。