公路桥梁双柱式桥墩基础沉降评估分析及加固处理

刘建磊

(中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081)

桥梁的正常功能取决于上部结构和下部结构的工作状态，下部结构的健康状态也会影响上部结构的安全和正常使用。然而由于自然因素或设计、施工不当，导致桥梁下部结构出现不符合规范和标准要求的各类病害现象，如基础病害、桥墩病害、桥台病害等。其中，基础的下沉或不均匀沉降会直接导致桥梁墩台的倾斜、扭转或断裂[1]。文献[2]针对某既有线桥梁在上部荷载长期作用下桥墩产生沉降和倾斜的问题，考虑岩溶分布特征和地基承载特性，根据理论分析和数值计算进行了加固设计。文献[3-4]针对桥墩下沉或不均匀下沉案例，利用有限元建模分析了桥墩病害出现的原因。文献[5]在总结国内外偏载作用对桥梁桩基承载影响的基础上，研究了堆载作用下既有桥梁群桩基础承载特性。文献[6]以陇西及陇东湿陷性黄土区域公路桥梁为工程背景，研究了基础沉降对双柱式桥墩内力的影响。文献[7]分析了黄土地区桩基础不均匀沉降的原因，并对黄土沟谷地形桥梁桩基的沉降提出了控制措施。

本文以某出现沉降病害的新建公路桥墩基础为例，采用现场调研、无损检测评估与数值仿真相结合的方法，分析了病害的成因并进行了加固。

1 工程概况

某公路桥全桥共2联，第1联为4×40 m先简支后连续预应力T梁，第2联为3×40 m先简支后连续预应力T梁。第2联桥墩编号为5＃墩至8＃墩，采用双柱墩桩基础。7＃墩桩基设计为摩擦桩，桩径为2.0 m。7-0＃桩设计桩长50 m，7-1＃桩设计桩长51 m。桩顶系梁尺寸长宽高为7.2 m×1.5 m×1.8 m。桩顶墩柱直径1.8 m，7-0柱高30.761 m，7-1柱高27.143 m。设计图纸地质勘查资料揭示，7＃墩地层为粉质黏土、全风化泥质砂岩、强风化泥质砂岩、全风化泥质砂岩，见图1。

图1 7＃墩概况及地质状况

该桥为新建桥梁，通车运营前对桥梁外观进行检查，发现7＃墩系梁顶部靠近7-1柱侧存在最大宽度约6 mm的多条贯通横向裂缝，裂缝沿系梁侧面从顶部向底部斜向延伸，沿系梁高度接近贯通，裂缝形态呈倒“U”形，病害状态较严重，见图2。

本文以7＃桥墩为研究对象，采取现场调查、动刚度检测、低应变检测结合仿真计算的方法对基础病害进行了评估分析。后期对墩柱帽梁病害的调查结果验证了分析结论，为后续桥墩基础加固处理提供了技术支持。评估方法也对同类型桥墩基础的检测评估提供借鉴。

图2 系梁顶面裂缝状态

2 现场检测

2.1 系梁部位病害调查

在已发现病害的基础上，为详细了解系梁部位病害的状态，继续清理系梁底面及侧面的填土。发现系梁在靠近7-0柱侧位置底面存在最大宽度约2 mm的横向贯通裂缝，裂缝从系梁底面向系梁顶面延伸，同时7-0＃桩在靠近系梁底面位置内侧存在6条环向裂缝，最大宽度0.3 mm。裂缝分布见图3。

图3 7＃墩系梁裂缝平面展开图

根据裂缝现场调查情况，裂缝状态为:①7-1＃桩侧上宽下窄，从顶面向底面斜向扩展，7-0＃桩侧下宽上窄，裂缝从底面向顶面斜向扩展；②裂缝在系梁侧面近似对称分布；③7-1＃桩侧裂缝相对严重。根据裂缝形态，初步判断系梁病害应属于两基桩差异沉降引起，且7-0＃桩沉降较大。由于发现病害时，桥面尚未通车，基桩产生明显沉降导致系梁严重开裂，应属于基桩承载力不足引起的问题。因此，需要对基桩的承载力相对状态进行评估。由于桥梁整体已竣工，且现有状态采用静压的方式确定基桩的承载力可能会导致重大事故，因此，参照既有研究资料[8-9]，决定采用测试基桩动刚度来推算承载力的方法评估基桩相对承载力状况。

2.2 基桩动刚度测试及承载力分析

机械阻抗法测试中，动刚度函数Kd(f)定义为

式中:F(f)为激振频谱；v(f)为拾振点速度响应频谱；f为频率；v(f)/F(f)表示速度导纳。

当作用在结构上的动荷载频率f→0时，动刚度值趋于静刚度，即Kd→Ks。激振时由于动荷载频率永远大于0，因此动刚度也总是大于静刚度。通常，小于30 Hz的低频段动刚度值相对稳定，对应低频段速度导纳曲线为一斜率恒定的直线[10]。

推算桩承载力Q的推算公式为

式中:Sa取值4 mm；η为动静对比系数，取1.5。

动刚度测试时冲击桩顶侧面位置，在桩顶布置振动响应测量装置。实测7-0＃桩及7-1＃桩动刚度值，推算承载力与设计荷载对应关系如表1。

表1 基桩承载力评估

根据推算结果，7-0＃桩承载力相对7-1＃桩低约23%；7-0＃桩承载力小于设计荷载，7-1＃桩承载力满足设计荷载的要求。7-0＃桩承载力明显不足，容易造成其在恒载作用下出现明显沉降。为检验基桩沉降情况，在系梁顶布置水准测点，如图4所示，对7-0＃基桩与7-1＃基桩相对高程进行测试，实测结果以4＃点为0，则各测点相对标高为 1＃点-8.734 cm，2＃点-8.522 cm，3＃点-0.010 cm，5＃点-4.562 cm。

图4 系梁高程测点示意

根据实测结果:7-0＃桩(左侧)相对7-1＃桩顶面高程低约8.63 cm。而施工记录显示系梁施工完成时上述7-0＃桩(左侧)相对7-1＃桩顶面高程低2.4 cm，据此推算7-0＃桩在系梁施工完成后的其他施工阶段共相对7-1＃桩沉降6.23 cm。测试结果间接证明了7-0＃桩承载力上的不足。

2.3 基桩低应变测试

采用低应变法对基桩完整性进行检测，实测图形见图5。根据实测结果，7-0＃桩在桩身6.5 m和14 m附近存在明显缺陷，7-1＃桩基本完整。桩身缺陷可能是桩身施工时产生，也有可能是后期沉降过大所引起。

图5 低应变法测波形

3 仿真分析及加固建议

3.1 仿真分析

根据7＃桥墩设计资料结合地质资料，对7＃墩7-0＃桩沉降产生的影响建立有限元模型。帽梁、墩梁、系梁均采用梁单元模拟，桩土相互作用根据 JTG D63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》按 m法考虑[11]。

计算时，对7-0＃桩施加6.2 cm强制位移，来分析基础沉降产生的影响。计算结果显示，系梁以上部分墩柱、系梁应力水平较低，其拉应力在0.5 MPa以下；系梁靠近7-1＃桩顶部位置拉应力约5.5 MPa，系梁靠近7-0＃桩侧底部位置拉应力及7-0＃桩顶部位置拉应力水平也超过混凝土抗拉强度。系梁及桩顶病害表现与现场调查结果一致。另外，计算结果表明，墩顶帽梁会产生22 cm的横向位移，造成墩柱倾斜，鉴于此，对墩柱帽梁的横向偏位情况进行了检测。

3.2 验证调查

为验证仿真分析结果，对墩柱进行垂直度测试，同时对桥梁梁体、支座、墩柱进行了外观检查。检查结果显示:帽梁、墩柱、梁体未见开裂；支座未见脱空。

垂直度测试结果显示，桥墩顶纵向未见明显偏位，墩顶相对墩底横向偏位23.7 cm，这与计算结果基本一致。从梁体、支座状态判断，基础沉降应在梁体架设完成后浇筑整体化层、横隔板前已出现。基础存在明显承载力不足现象。

3.3 加固建议

根据7＃墩实际情况，需要对桥墩基础作加固处理，建议的处理方案框架为:在原基础周围增加4根50 m长基桩，原桩做储备；系梁位置顶部增设大承台；墩柱加大截面，消除墩柱倾斜度不满足要求的影响。图6为根据笔者建议进行加固，系梁改为大承台后的状况。

图6 加固现场状态

4 结语

桥墩基础承载能力很难准确计算，特别在地质多变地区，基础承载力可能与理论计算值存在较大差别。在静载试验数量受限的情况下，可通过动刚度方法对特殊情况下基础进行承载力评估。实践证明该方法具有较高的可靠度。对于出现沉降病害的基础甚至状态不明、资料不详的老旧桥梁基础，本文所采用的动刚度法判断承载力状态、低应变法判断桩身完整性并结合仿真计算分析的综合方法具有一定的借鉴意义。