桥墩偏位超限检测及结构安全性评估

张赞鹏，何宗蔚，唐渝航

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067； 2.招商局重庆公路工程检测中心有限公司，重庆 400067；3.西藏自治区交通工程质量安全监督局，拉萨 850000)

桥墩是多跨桥梁用以承受上部结构荷载，保证桥梁安全的重要构件，一般由承台、墩身和盖梁3部分组成。在桥墩建设过程中，因项目管理、施工队伍作业经验以及一线技术人员现场管控水平参差不齐，致使一些桥梁的桥墩出现了偏位超限，极大地削弱了墩柱承载能力和稳定性，降低了桥梁使用寿命[1-9]。

本文以某桥梁为例，对桥墩偏位超限所在第11联范围内的桥梁结构进行外观检测、实体检测和安全评估计算，分析和评估桥墩及其桩基础的承载能力，为桥梁的加固和处治提供技术依据。

1 工程概况

全桥共11联，孔径布置为(6×30)m+(2×30)m+(6×30)m+(2×26.25+17.5)m+(6×30)m+(29.13+29+2×30)m+(4×30)m+4×(6×30)m，桥梁全长 1 641.13 m。桥面标准段宽度为12 m。左幅第11联为6跨预制T梁，墩台为49#墩～55#台范围，桥跨示意如图1所示；右幅第11联为5跨预制T梁，墩台为49#墩～54#台范围，桥跨示意如图2所示。第11联桥墩均为双柱墩，墩柱上接盖梁、下部为桩。

在第11联附近进行了挖方施工，现场将开挖的弃渣直接倾倒在右幅桥墩旁。

图1 左幅第11联(6跨)桥跨立面示意

图2 右幅第11联(5跨)桥跨立面示意

2 现场检测

根据现场桩柱偏位、盖梁的损坏状况和地表裂缝变形特征等，初步判定第11联桥墩偏位是桥位区右幅(上方)大量弃渣堆载诱发坡体变形所致，须对本桥第11联外观、混凝土强度、墩柱偏位等进行检测[10]。

2.1 外观检测

1) 桩基外观检测

桩基及桩基系梁分别出现大量较规则的环向裂缝和“Π”形裂缝，桩基环形裂缝最长4.2 m，最宽1.10 mm；桩基系梁出现多条“Π”形裂缝，裂缝最长3.5 m，最宽0.80 mm。由于桥位处桩基础受到右侧弃土挤压，导致桥位处桩和土存在较大空隙，并造成地面明显开裂，如图3(a)所示。

2) 墩身检测

左幅51#墩～52#墩、右幅49#墩～51#墩墩底均出现环形裂缝，环形裂缝最宽0.40 mm，最长3.79 m；桥墩系梁呈现“Π”形裂缝，裂缝最宽0.20 mm，最长2.65 m，如图3(b)所示。

3) 盖梁挡块及T梁检测

左幅51#墩～52#墩、右幅50#墩～51#墩右侧挡块由于桩基向左出现较大移位致主梁阻挡而破坏，如图3(c)所示。第11联T梁(跨中和支点部位)未发现结构受力裂缝。

(a) 桩周土受挤压与地面开裂

(b) 墩身开裂

(c) 盖梁挡块破损开裂

(d) 支座变形

(e) 伸缩缝损坏

4) 支座检测

左幅51#墩～52#墩和右幅50#墩～51#墩支座移位、脱空、剪切变形特别严重，部分支座临近脱落，如图3(d)所示。

5) 桥面系检测

右幅49#墩处伸缩缝横向错位、损坏，如图3(e)所示；左幅未见明显缺陷。

2.2 专项检测

1) 桥墩整体偏位检测

采用全站仪对桥墩整体偏位进行测量，根据设计坐标和实测坐标来计算桥墩偏位。桥墩偏位坐标系分解如图4所示，桥墩墩底整体偏位实测结果见表1。

(a) 左幅

(b) 右幅

表1 桥墩墩底整体偏位实测结果 mm

注：左49-1#是指左幅49#墩(双墩柱)从左到右第1根墩柱；左49-2#是指左幅49#墩(双墩柱)从左到右第2根墩柱，其余类同。

由表1可知，第11联左幅50#墩～52#墩及右幅49#墩～51#墩柱整体偏位严重超限(限值20 mm)，不满足规范要求。

2) 单根墩身偏位检测

对左幅49#墩～54#墩和右幅48#墩～53#墩墩身的每个墩柱分别测量纵、横2个方向的垂直度。假设墩柱地面线或底面为参考不动点，纵向以路线前进方向、横向以向右侧偏位为正，相反方向为负。左幅49#墩、53#墩、54#墩及右幅48#墩、52#墩、53#墩单根墩身纵、横向偏位均小于20 mm，实测数据未列出，左幅50#墩～52#墩及右幅49#墩～51#墩单根墩身偏位超限(限值20 mm)，结果见表2。

表2 第11联墩身垂直度测量结果 mm

以左幅49#墩、右幅49#墩实测数据为例，分析墩柱偏位规律，其墩身垂直度曲线如图5所示。

(a) 左49-1#

(b) 左49-2#

(d) 右49-2#

由图5可知，左幅49#墩垂直度曲线(墩高-偏位曲线)呈锯齿状，非线性关系，表明施工误差对垂直度曲线的影响很大，但桥墩垂直度的绝对值不是很大，其余左幅54#墩和右幅48#墩、52#墩、53#墩也有此特征；右幅49#墩垂直度曲线呈现较明显的规律性，其余左幅50#墩～53#墩和右幅49#墩～51#墩也有此特征。

3) 墩身强度检测

左幅49#墩～54#墩、右幅49#墩～53#墩墩柱混凝土回弹强度推定值最小为54.4 MPa，设计混凝土强度等级为C30，满足规范和设计要求。

3 安全评估计算

3.1 计算模型

本文以左幅第11联为例,采用Midas有限元软件,建立有限元计算模型[13]，计算模型中x方向为桥梁线路方向，y方向为线路横断面(向右为正)方向，z方向为竖直向上方向。模型中所有单元均为梁单元。桩基底部采用一般支撑固结模拟，岩层顶面至桩基底部范围内的桩基侧面土弹簧刚度采用节点弹性支撑模拟(每间隔0.5 m设置1个)，墩柱与盖梁采用刚性连接模拟，盖梁与主梁采用铰接模拟，桥台处主梁支座采用一般支撑固结模拟，左幅第11联结构计算模型如图6所示。

3.2 参数选取

该桥第11联范围内原地面土主要为第四系全新统残坡积层、冲洪积层和人工填土，基岩主要为侏罗系中统沙溪庙组砂岩、泥岩，依据JTG D63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》[11]和JTG D62—2004《公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范》[12]相关规定，计算参数取值见表3。

图6 左幅第11联桥梁整体模型

Fig.6 Overall model of the 11th connecting bridge beam of the left

表3 计算参数取值

3.3 堆积土对桩基水平推力的确定

土体对桩基产生水平推力，荷载作用范围为地表至基层，桩基在受力面所受的单位面积荷载为均布荷载，由于整体横向推力大小无法准确估计，因此荷载大小只能通过计算确定。支座摩擦力由集中力的形式施加于盖梁顶面支座垫石位置，其作用方向可根据支座与T梁偏位判断，其值大小可根据支座反力和摩擦力系数确定。在基层顶面至桩基底部采用“m”[11-14]法模拟桩-岩相互作用，结构受力分析示意如图7所示。

结合现场检查数据，推测桥墩发生偏位受力过程如下：

1) 土体水平推力推动桥区基岩上方土体移动，导致桩基受到推力作用，桩基移位；

2) 土体水平推力逐渐增大，桩基系梁两端钢筋首先开始屈服，形成塑性铰；

3) 土、岩分界面附近桩基钢筋屈服，桥墩整体发生较大平移；

4) 由于相邻桥墩处的支座对T梁有一定的约束作用，导致T梁亦随着桥墩发生位移，又因下部结构与T梁位移不一致，导致盖梁防震挡块与T梁马

图7 结构受力分析示意

蹄接触、挤压发生破坏。

结合桥墩发生偏位的受力过程，通过大量试算得到当钢筋的拉应力刚屈服时，各个桥墩桩基所需施加的横向荷载，结果见表4。因左幅49#墩、54#墩桩基完全埋于岩石中，表面几乎没有土体覆盖，且墩底基本没有偏位，因此没有土体对其产生推力。

表4 桩基钢筋刚屈服时水平推力

3.4 计算结果与分析

1) 桩顶横向偏位

经过有限元计算分析并结合现场外观、实体检查数据,桥梁桩基钢筋刚屈服时，桩顶的横向偏位结果见表5。

表5 左幅桩基钢筋刚屈服时桩顶横向偏位计算结果 mm

注：数值前“-”表示方向向左。

由表5可知，左幅49#墩、54#墩桩基完全埋于岩体中，表面几乎没有土体覆盖，因此没有土体对其产生推力也不会发生偏位，且实测数据显示桩顶基本没有偏位[14-15]，左幅50#墩～53#墩桩基现场实测桩基偏位已大幅超过桩基钢筋屈服时计算偏位，桩基钢筋已经屈服。

2) 左幅桥梁下部结构计算

左幅第11联49#墩、54#墩偏位较小，计算结果表明墩柱及桩基受力、裂缝宽度均满足规范要求；50#墩～53#墩墩柱偏位较大，其墩柱及桩基受力或裂缝宽度计算结果见表6。

由表6可知，50#墩～53#墩土岩分界面附近桩基钢筋拉应力、裂缝宽度、混凝土压应力不满足规范要求；51#墩～52#墩桩顶裂缝宽度不满足规范要求。

4 综合评估

通过现场外观检测、专项检测及有限元计算等多种方式，对该桥的桥墩偏位进行综合分析，评估结论如下：

1) 左幅50#墩～52#墩、右幅49#墩～51#墩桩基及墩身损伤严重。桩顶实测横向偏位52 mm～772 mm，远大于设计阶段桩基钢筋屈服时的桩顶横向计算偏位18.0 mm～27.6 mm，墩柱、墩柱系梁和桩基系梁的钢筋拉应力最大值基本都已超过规范设计值330 MPa，地面以上桩基和桩基系梁混凝土表面外观检测发现多条裂缝宽度已超过规范限值0.2 mm要求。

2) 左幅53#墩、右幅52#墩桩基和桩基系梁钢筋可能屈服。桩顶实测横向偏位23 mm～24 mm，稍大于设计阶段桩基钢筋屈服时的桩顶横向计算偏位21.2 mm～21.9 mm，桩基和桩基系梁钢筋已经屈服，最大拉应力值已超过规范设计值330 MPa，混凝土表面裂缝宽度已超过规范限值0.2 mm要求。但对露于地表以上桩基及桥墩构件外观和实体检测中未发现明显病害，这与计算结果不符，据此推测支座处实际摩擦力较计算值小，结构实际受力较计算值小。

3) 左幅49#墩、54#墩和右幅48#墩、53#墩，未见损伤。桩顶实测横向偏位0～7 mm。桩基完全埋于岩体中，表面几乎没有土体覆盖，因此没有土体对其产生推力，其结构受力满足规范要求。墩柱、系梁和盖梁的结构受力亦满足规范要求。

4) 左幅第11联T梁和右幅第11联及第10联最后一跨T梁未见损伤。

表6 左幅第11联50#墩～53#墩计算结果

5 结论

1) 左幅50#墩～52#墩、右幅49#墩～51#墩桩基及墩身损伤严重，承载能力不满足规范及设计要求，存在重大安全隐患，应立即进行加固处治。

2) 左幅53#墩、右幅52#墩桩基和桩基系梁实际受力比计算值小，承载能力满足规范及设计要求。

3) 左幅49#墩、54#墩和右幅48#墩、53#墩未见损伤，承载能力满足规范及设计要求。

4) 左幅第11联T梁和右幅第11联及第10联最后一跨T梁未见损伤。

综上所述，桥位周边弃渣乱堆乱放对桥梁结构造成极大安全隐患，应加强对桥位周边的弃土、地基开挖等可能使桥墩产生偏位的相关作业监管，杜绝类似事故再次发生。