洪水冲刷对重载铁路桥梁动力性能影响及加固技术

陈树礼， 刘永前

(1.石家庄铁道大学 大型结构健康诊断与控制研究所，石家庄 050043;2. 河北省大型结构健康诊断与控制重点实验室，石家庄 050043)

洪水及其引起的冲刷是影响桥梁安全的重要因素，超过半数的水毁桥梁破坏均与洪水冲刷有关[1-2]。洪水冲刷桥梁基础，将引起桩侧土体和基础埋深减少、桥梁整体刚度和承载能力降低及水流冲击力增大等一系列问题，进而影响桥梁动力性能变化，严重情况下可导致桥梁垮塌[3]，尤其是对于运行25 t以上轴重的重载铁路桥梁而言更为明显。洪水冲刷对基础埋深的改变将会直接对桥梁动力特性和列车运营安全产生巨大影响，因此，开展洪水冲刷作用下的重载铁路桥梁动力性能试验和加固技术研究很有必要。

针对洪水冲刷引起的桥梁振动问题，很多学者都进行了大量研究并取得丰富成果。其中，梁发云等[4]采用开挖桥墩周围土体模拟基础冲刷的方法，完成了铁路桥墩基础冲刷对桥墩自振特性的理论分析和现场试验研究；梁发云等[5-9]采用理论分析、模型试验和现场试验方法，系统分析了冲刷对桥墩单桩承载特性、自振频率以及简支梁桥频率特性的研究，探讨了简支桥桥墩受冲刷后模态频率的变化特性；李克冰等[10]开展了考虑河流冲刷作用的车桥耦合系统动力分析，完成了冲刷对车桥动力响应以及列车运行安全性的仿真分析。方翔宇等[11-12]采用数值模拟分析方法，分别针对河流冲刷对铁路走行安全性的影响及基础冲刷对铁路桥梁服役安全性能的影响进行了深入研究。对于桥墩加固问题，陈令坤、肖祥淋等[13-14]针对铁路双柱式桥墩，提出了多种桥墩加固方案并进行了数值模拟分析；而王国亮等[15-17]则对增补桩基法进行了系统研究，并在多座桥梁上完成了工程应用。既有研究主要集中在冲刷对桥梁稳定影响的理论分析、模拟试验和增补桩基法在公路桥梁冲刷加固中的应用方面，针对洪水冲刷作用下的重载铁路桥墩动力响应试验和加固技术的研究较少。

据此，本文以某重载铁路为工程背景，针对采用浅埋式桩基础的铁路简支T梁结构，开展洪水冲刷作用下的桥梁动力性能试验，分析研究冲刷深度和列车速度对桥梁动力响应的影响，设计适用于重载铁路的桥墩加固技术并开展实桥应用研究，为以后类似工程加固提供借鉴。

1 工程概况

某重载铁路特大桥为双线桥，线路主要运行C64、C70和C80类型货车，列车编组包括 5 000 t、10 000 t、20 000 t等多种形式，年运量超过2亿吨。大桥上部结构为32 m预应力混凝土简支T梁，盆式橡胶支座，下部结构为双柱圆端形板式桥墩桩基础，桩基础均采用8根直径为0.8 m的桩基础，桩长12.0～17.0 m，其中8#墩、9#墩桩均为15.0 m，10#墩桩长16.0 m，全桥墩高3.87～4.37 m。大桥上下行桥墩分离，但共用同一承台基础，承台尺寸为8.40×4.00×2.00 m。图1为桥墩结构示意图。

大桥于1999年9月建成，近年来常年干涸，表层砂风化严重，已呈粉砂状，周边居民在桥梁两侧河道内挖沙，造成桥址上下游河床纵坡加大，河床局部下切，河床发生较大变化，而桥下河沙堆积较为严重，桥下净空低于3.0 m。2016年7月，由于连续多日强降雨和上游水库泄洪，河道7#～10#墩之间短时洪水流量达到100 m3/s，短时间内洪水过境致使大桥8#、9#、10#桥墩出现了较大的冲刷，冲刷深度达到近9 m(图2为桥墩冲刷前后对比)，三个桥墩承台及桩基础均出现了不同深度的外露，现承台以下部分桩基裸露出3～5 m，9#和10#墩已冲刷至卵石层，洪水冲刷对列车运营安全造成很大隐患。

图1 桥墩结构示意图Fig.1 Bridge pier structure diagram

图2 桥墩冲刷前后对比Fig.2 Pier situation before and after flood scouring

相比较普通铁路而言，重载运输具有大轴重、大运量、高速度的典型特点。重载列车过桥，其横向力、竖向荷载和冲击次数大幅增加，振动和疲劳加剧。当桥墩基础冲刷严重时，重载列车通过将对桥梁安全造成巨大不利影响。为保证行车安全，洪水过桥时采用列车限速(≤60 km/h)、桥下抛石、桥墩基础四周填土防护、桥梁运营性能动态监测等一系列措施来保证桥梁运营安全。

2 动力性能试验

文献[18]中规定，铁路桥梁应具有足够的横向刚度，保证列车以规定的速度通过时，桥梁结构不出现激烈振动。因此，在现场试验时将桥墩墩顶横向振幅和桥跨跨中横向振幅作为影响桥梁行车安全的动力性能指标，用以分析洪水冲刷对桥梁动力性能的影响规律，分为行车安全限值和通常值两个判别值，其中行车安全限值是保证列车一规定的速度安全通过，桥梁结构必须满足的限值指标；通常值是指桥梁在正常运用中的振幅实测值的上限以及频率实测值的下限。

桥跨跨中横向振幅安全限值：

[Amax]≤L/9 000 (mm)

(1)

桥跨跨中横向振幅通常值：

(Amax)≤L/7.0B(mm)

(2)

墩顶横向振幅通常值(中高墩，桩基础)：

(3)

式中：B为墩身横向平均宽度(m)；H为墩全高(m)；△h为地基土特征横向振幅取值参数(m)；L为跨度(m)。

在上游洪水冲刷时进行现场测试，全天二十四小时监测冲刷桥墩及主梁的控制参数变化情况，主要包括桥墩墩顶横向振幅及主梁跨中横向振幅，对桥墩竖向加速度和纵向振幅进行间断测试，并与以往测试数据进行对比。现场测试采用941B、891-Ⅱ拾振器并配套INV系列数据采集仪和IMC数据采集仪完成。

图3 测试现场Fig.3 Test site

2.1 冲刷深度影响

河道内大量堆积松软河沙，上游洪水通过时河道冲刷迅速，在短短4～6 h内冲刷深度达到近9 m。现场测试随冲刷深度增加桥跨结构的动力响应，同时测量桥墩冲刷的大致深度。表1为不同冲刷深度下典型桥跨动力响应实测结果，图4为主要测试参数与冲刷深度关系曲线，其中横向振幅为实测振动时程曲线最大值，冲刷深度采用在墩顶上方竹竿探底和吊线垂方式测试得到，取墩身四周多个位置的冲刷深度平均值作为整体冲刷深度，每趟列车通过时测试一次，此时列车速度偏低，无洪水冲刷时列车速度在58 ～76 km/h。

表1 不同冲刷深度典型桥跨动力响应

由表1和图4可知，洪水冲刷时列车速度远小于无冲刷时速度，洪水冲刷引起桥墩基础不同程度外露，进而引起桥墩墩顶和跨中横向振幅显著增大。列车低速通过时桥梁横向振幅远大于列车高速通过时数据，更加说明洪水冲刷引起了桥梁振动明显加剧，影响安全运营。桥墩墩顶横向振幅和桥跨跨中横向振幅随冲刷深度增加而逐渐增大，桥墩振动增大直接导致主梁振动加剧。相比较而言，洪水冲刷对桥墩影响更为敏感，当冲刷深度达到7 m以上时，墩顶横向振幅平均值及最大值的增加幅度均达到100%以上，而对应桥跨跨中横向振幅平均值及最大值的增幅约为50%。洪水冲刷导致桥墩埋深减小和横向刚度显著降低，车致横向振动加剧。

图4 主要测试参数与冲刷深度关系曲线Fig.4 Relationship between test parameters and scouring depth

桥墩横向自振频率采用锤击法和余振法测试。冲刷前9#墩横向自振频率为14.5 Hz，随冲刷深度增加，桥墩横向自振频率逐渐降低，冲刷深度在1～3 m时，自振频率降低至11.2 Hz，当冲刷深度达到7 m以上且趋于稳定时，现场实测9#墩横向自振频率为7.3 Hz，随冲刷深度增加，桥墩横向自振频率逐渐减小。比较而言，承台部分土层冲刷对自振频率的影响更为显著，而冲刷至桩基础时，桥墩自振频率降低幅度有所减小，自振频率降低值与冲刷深度成正比。现场对9#墩墩顶纵向振幅、竖向加速度进行了跟踪观测，随冲刷深度增加，墩顶纵向振幅和竖向加速度数值略有增大，但变化趋势不明显，说明桥墩基础竖向刚度变化不明显，并且全桥桥墩在纵向方向承受桥跨限制约束作用，纵向振动变化也不明显。

桥墩基础的水平承载能力主要和墩台基础类型、材料及截面特性、地质条件和埋置深度有关，本桥采用桩基+承台基础，冲刷前桩基和承台均由土层包围，侧面受到土的抗力作用；洪水冲刷后，承台基础全部裸露且桩基础也裸露一定高度，整个基础结构中只有土层中桩基横向受力，横向刚度必定大幅降低。而本桥浅沙层下方为卵石土，桩基为摩擦桩，竖向刚度主要由桩侧摩擦力和基底承载力共同承担，洪水冲刷引起桩侧土层流失，但相对于桩基全长而言比例相对较小，对桥墩基础整体竖向刚度的影响小于对横向刚度的影响，所以冲刷对桥墩横向振动的影响要大于对竖向振动的影响。

2.2 列车速度影响

同样冲刷条件下，列车速度不同也会对桥梁振动产生影响。洪水冲刷中和桥墩加固过程中的典型桥跨测试参数对比见表2所示；冲刷前后典型桥墩及主梁测试参数对比见图5所示，其中洪水冲刷中数据为桥墩基础冲刷到最大深度及稳定后的两阶段测试数据，8#、9#和10#墩对应冲刷深度分别为为6.5 m、8.7 m和8.2 m，实测桥墩横向自振频率分别为10.5 Hz、8.2 Hz

和7.3 Hz，洪水冲刷时现场采取了抛石、填土等措施进行临时加固处理，桥墩四周埋有部分砂石；桥墩加固中数据为洪水退去后进行现场加固施工时的数据，此时桥墩基础周围开挖明显，桩基明显裸露，加固时墩身裸露程度大于洪水冲刷时数值。

表2 洪水冲刷前后桥梁测试数据对比

图5 冲刷前后典型桥墩及主梁测试参数对比Fig.5 Comparison of bridge test data before and after flood scouring

图5中，洪水冲刷时数据分为两个阶段，列车速度在30～40 km/h之间时为洪水急速冲刷阶段，墩身基础冲刷深度迅速增加，当冲刷到一定程度后，冲刷深度不再增加，桥梁结构振动也趋于稳定，此时列车提速至45～60 km/h之间。

分析洪水冲刷工况，在相近冲刷深度情况下，随列车速度提高，8#墩、9#墩及10#墩墩顶横向振幅及第9孔跨中横向振幅有逐渐增大趋势，但增大幅度不太明显，墩顶及桥跨跨中横向振幅与列车速度基本成正比关系。在洪水冲刷过程中，由于8#墩有部分承台未裸露出地面，埋深较多，而9#墩和10#墩受洪水冲刷作用，承台全部裸露且桩基础也裸露出2～5m高度， 相同速度列车作用下9#墩和10#墩横向振幅数值大小基本接近且均大于8#墩数值。

在桥墩加固过程中需要将墩台基础四周土体清除干净并预留一定的施工空间，此时承台基础全部裸露且桩基也有部分裸露，多个桥墩桩基四周埋土深度基本上都小于冲刷时数值。对应在45～60 km/h列车作用下，加固过程中桥墩和桥跨横向振幅均大于洪水冲刷过程中数值，且9#、10#墩墩顶横向振幅接近规范通常值要求，再次说明冲刷深度越大，桥梁振动越大，桥梁振动幅值基本上和冲刷深度成正比关系。冲刷造成承台和桩基的裸露程度与桥墩及桥跨的横向振动成正比关系，冲刷深度增加直接导致墩台基础横向刚度和稳定性降低，进而引起桥跨结构振动加剧。

洪水冲刷大都具有突然、迅速和危害力巨大特点，影响结构稳定和运营安全，而在洪水冲刷桥墩基础过程中，有效的防护措施就是尽可能保障桥墩基础周围土体不被冲刷，保证足够的埋土深度，可以考虑通过抛石、填充、引流等措施实现。

3 桥墩加固

对于洪水冲刷作用下的桥墩基础而言，其基础埋深大幅降低，相应桥墩基础的横向刚度、承载能力、稳定性也出现下降，为达到提高基础承载能力、增加稳定性和减振抑振的目的，加固设计需要从增加桥墩基础刚度和稳定性入手。常规的铁路桥墩加固方法有很多，主要包括喷射注浆法、外包材料加固法、扩大基础加固法、增补桩基法等，且各有优缺点，相对来说，增补桩基法对于处理冲刷引起的桥梁病害问题较为合适[13～16]。

增补桩基法基本思路是：对冲刷严重桥墩基础基础，在桩基础周围补加钻孔桩并扩大原有承台，新旧承台间浇筑钢筋混凝土连接，同时将承台基础与桩基连接在一起，新旧基础形成一个完整整体，以此提高基础承载能力和稳定性。增补基桩法中的桩基类型多采用摩擦桩和柱桩两种，其中摩擦桩主要由桩侧土摩擦力和桩底抵抗力共同支撑垂直荷载，桩侧极限摩阻力大小与土层性质、成孔工艺和入土深度都有关，当入土深度达到一定程度时，桩侧摩阻力将达到临界值而不再增加，一般情况下临界摩阻力在25 m处出现[17]。而柱桩一般需要将桩底直接嵌入到岩石中，荷载全部由底部岩层承受，桩侧摩阻力可忽略不计，具体选择何种桩基形式以及桩长、桩径的确定需要根据地质情况和加固效果需求确定。

3.1 加固设计

重载铁路运输具有大轴重、大运量的典型特点，对于本桥而言，考虑冲击影响，单孔T梁桥上活载重量将达到250 t以上，相应横向摇摆力、制动力等也大幅增加，洪水冲刷作用下墩台基础和桥跨振动明显。因此，桥梁加固须从减振抑振和提高基础稳定性两方面入手，即桥墩加固目标包括两个方面：首先要从桥梁结构减振抑振方面入手，通过增大桥墩横向刚度，保证加固后的桥墩及桥跨横向振动大幅降低；其次，还需要大幅提高基础承载能力和稳定性，以降低洪水冲刷对桥梁结构的危害，这也是洪水冲刷作用下重载铁路桥梁加固必须考虑的问题。

根据加固目标和桥梁实际地质状况，提出一种基于增补桩基和增大基础的整体加固方法：“增补桩基法+增大基础法”，其核心思想是在增补一定数量桩基础的前提下，同时对桩基上半部分进行增大基础加固处理，大幅提高墩台基础各向刚度和承载能力。在评价加固效果时，首先是保证位移、内力等静力性能参数在满足设计要求基础上降低50%及以上，其次是横向自振频率增加50%以上。

具体加固方法是：因桥梁建成后地区河流无变化，加固设计仍采用原桥设计时的百年设计流量，在此基础上进行基础和桩基加固。加固设计采用桩径1.0 m摩擦桩，对应原始桩长，加固桩长取为25.0～26.0 m，每个基础增加12根桩基。桩基采用钻孔桩形式，并增设六面配筋承台包护。在既有承台及墩身植筋，梅花形布置植入φ28 mm牵钉钢筋，植筋钻孔孔径35 mm，植筋完成后钻孔注浆处理。牵钉与新建包护承台钢筋绑扎。对目前主河槽内8#～10#墩承台以下、卵石层以上采用基础加固，结构整体为C30片石混凝土，并设护面钢筋，片石距离护面钢筋不小于15 cm，承台以下0.3 m范围内采用微膨胀混凝土。施工完成后，对这部分基础进行砂卵石回填，回填至现有河床面，回填时，应分层夯实，压实密度不小于90%。图6为加固方案示意图。

图6 桥墩“增补桩基法+增大基础法”示意图Fig.6 Piers “Increasing pile foundation method + Increasing basic method”

设计完成后进行加固检算，检算在恒载、主力、主力+纵向附加力和主力+横向附加力共4种荷载组合情况下的内力与变位、墩顶位移、桩身弯矩及剪力、单桩承载力和桩底最大压应力等参数，经检算，各项静力检算参数均满足设计要求，且多项位移、内力等静力性能指标明显降低，达到加固目标要求。加固后8#、9#和10#桥墩横向自振频率计算值分别为24.5 Hz、24.5 Hz和27.2 Hz，较加固前的10.8 Hz、10.8 Hz和11.3 Hz均增大一倍以上。

3.2 加固实施

现场加固依据上述“增补桩基法+增大基础法”进行。在具体施工时，遵循以下原则：

(1) 按照同一桥墩的桩基逐根施工的操作顺序进行，严禁同时施做，承台牵钉孔施工以不影响桩基施工为准，桩基施工完成后再进行承台施工；在桩基加固完成后，再开挖施做加固防护结构。

(2) 桩基施工严禁采用冲击钻孔施工，防止冲击作用对桥墩基础干扰；在进行承台钻孔施工时，牵钉孔不能使用冲击钻，防止既有承台基础及台身出现破损。

(3) 施工时应做好对既有桥墩的监测工作，当发生影响桥墩安全的状况时，应立即采取相应措施，确保行车安全。

(4) 现场施工需避开雨季施工，同时也需做好防洪应急预案。图7为桥墩及基础加固情况。

图7 桥墩加固情景Fig.7 Piers reinforcement scene

3.3 加固前后对比试验

在桥墩基础加固前后进行动力性能试验，表3为桥墩及主梁加固前后数据统计表，其中加固前数据为洪水冲刷中和墩身加固中的测试数据，8#～10#墩冲刷深度在1.0～8.7 m之间，加固后数据为加固完成并取消限速后的现场实测数据。图8为上行重车通过时为桥墩加固前后墩顶及主梁横向振幅对比图。

表3 桥墩加固前后测试数据对比

图8 加固前后典型桥墩及主梁测试参数对比Fig.8 Bridge test data before and after reinforcement

对比桥墩加固前后试验数据，虽然加固后列车速度大幅提高，但桥墩加固后试验桥墩及桥跨横向振动明显降低，实测横向振幅平均值和最大值均显著减小，尤其是冲刷最为严重的9#墩和10#墩减振效果最为明显，其中10#墩横向振幅平均值和最大值分别由0.20 mm和0.37 mm降低至0.09 mm和0.25 mm，降幅接近或超过50%。第9孔跨中横向振幅平均值和最大值分别由0.31 mm和0.58 mm降低至0.25 mm和0.37 mm，降幅也非常明显。

比较而言，实测桥跨跨中横向振动降低幅度与墩顶横向振动答题相当，实测各项动力响应参数均小于规范限值[18]。实测加固后8#墩、9#墩和10#墩的横向自振频率分别为64.3 Hz、69.6 Hz和71.5 Hz，远大于冲刷最严重时的自振频率(7.3～7.7Hz)，也远大于冲刷前的数值(14.0～14.5 Hz)，大于加固计算值(24.5～27.2 Hz)。加固措施大大增加了墩台基础横向刚度和自振频率。

桥墩加固后现场试验实行列车分级提速试验，随列车速度增加桥墩及桥跨横向振动有逐渐增大趋势。加固前列车速度集中在30 ～60 km/h之间，而加固后速度集中在60～80 km/h之间，桥墩加固前列车速度较低，按照一般情况下速度越高桥梁振动越大的普遍规律，若加固后列车速度也集中在45 ～60 km/h之间变化，其对应桥梁振动将会比60 km/h以上时速列车引起的振动更小，减振加固效果也更为显著。桥墩加固前后不同速度列车作用下数据对比，在一定程度上验证了加固效果。

4 结 论

本文开展了洪水冲刷下的重载铁路桥梁动力响应试验和加固技术研究，旨在探索洪水冲刷深度和列车运行对墩台基础及桥跨结构运营性能指标的影响规律，并开展相应加固技术和措施研究，主要结论如下。

(1) 洪水冲刷引起桥墩基础承台和桩基不同程度外露，导致桥墩基础形式发生改变，墩身高度增加，整个基础形式由低承台基础变成高承台基础，相应基础承载能力和刚度明显降低，尤其是横向刚度降低最为明显。

(2) 洪水冲刷后，桥梁结构动力响应显著增大，桥墩振动增大直接导致主梁振动加剧，而桥墩自振频率则显著降低，桥墩墩顶横向振幅和桥跨跨中横向振幅等参数与冲刷深度和列车速度成正比关系。

(3) 提出了整体加固方法：“增补桩基法+增大基础法”，其基本思想是同时提高基础稳定性和承载能力，通过静力参数检算、加固实施和和动力性能试验，本方法减振加固效果显著，可以考虑在同类型桥梁加固中推广应用。