软基高填土路基桥台墩柱倾斜病害及处置方法研究

汪永林，唐忠林，吴星锌，赵靖杰，宋春霞

(1.云南武易高速公路有限公司,云南 楚雄 675000；2.交通运输部公路科学研究院,北京 100088)

0 引言

桥梁与道路的连接处，通常需要对路基进行加高加宽，当桥头路基下存有大厚度的淤泥质土软基时，由于淤泥质土属饱和固结软土，在路基自重荷载作用下，淤泥质软基易发生侧向变形，桥台桩基及邻近墩桩基承受由于土体水平侧向移动产生的侧向力作用，因此桥台除承受台后填土直接作用水平力外，还承受塑性流动产生的附加力，如图1所示。尤其在施工工程中及建成后软基固结未完成前的时间内，较固结结束后，桥台桩承受更大的侧向土力。过大的侧向力将造成桥台严重前倾，支座、伸缩装置、台背、桩基乃至梁身产生破坏[1-18]。

图1 桥台在桥头路基填筑情况下桥台受力分布

1 工程概况

云南某3跨预应力箱梁桥，跨径组合为(20+30+20)m，上部结构采用预应力钢筋混凝土等截面连续箱梁，下部结构桥墩采用柱式墩，桥台采用肋式台，桥梁全长为77.00 m。桥梁纵断面位于纵坡0.6%的直线上坡段,如图2所示。2017年该桥在台后填土施工完成后发现桥台前倾，台帽下方挡墙开裂沉陷,搭板开裂，墩横系梁表面斜向开裂，最长1.3 m，宽度为0.18 mm，如图3所示；桥台和墩柱处支座均存在不同程度侧向滑移，滑移量3.8～5.0 cm，如图4所示。施工单位对台后填土进行了加固处置，并对支座进行更换处置。2018年对该桥进行进一步检查，发现桥头搭板下填土出现明显下沉，下沉高度为8 cm，1#，2#墩墩顶出现不同程度偏位，右幅2#墩墩顶最大偏位达到4.8 cm。

图2 桥型布置图(单位:cm)

图3 2-1#墩和2-2#墩墩身裂缝

图4 墩顶变形示意图

2 变位趋势分析

为了能够全面掌握桥梁在台后填土及软基作用下桥梁变形情况，对桥墩桥台水平位移、桥面沉降及土体深层水平位移进行了监测，监测时间为2017年7月—2018年7月，为期1 a。

2.1 墩台顶水平位移变化趋势

桥台测点分别布置在耳墙外侧、台帽前侧面左右两侧，桥墩测点分别布置在每个桥墩3 个墩柱的大、小里程侧面。水平位移观测点布置如图5所示。桥台和桥墩墩顶纵向桥水平变位最大值为13 mm，水平向最大变位为17.5 mm，总体变化平缓，无明显突变，表明墩台的水平位移趋于稳定。图6为0#台纵桥向位移-时间变化曲线。

图5 水平位移观测点布置

图6 桥台纵桥向位移-时间变化曲线

2.2 桥面沉降趋势分析

桥面沉降测点布置于左右幅，左右护栏内侧，全桥共27个测点，测点布置如图7所示。桥面线性监测点最大位移为4 mm，未有明显的大变形和突变现象，桥面沉降趋于稳定。图8为左幅中间护栏侧桥面沉降测线位移图。

图7 桥面沉降观测点布置

图8 桥面沉降测线位移曲线

2.3 土体深层水平位移趋势分析

深层水平位移测点布置于0#和3#台附近，如图9所示。在深层水平位移监测过程中发现，0#台土深12 m往上的部分顺桥向往大桩号方向移动，横桥向锥坡底往桥梁外侧移动，锥坡顶往桥梁内侧移动。3#台填土部分顺桥向往小桩号方向移动，横桥向往桥梁外侧移动，说明土体蠕变、固结仍在缓慢进行，图10为3#台锥坡顶不同时期测斜曲线。

图9 深层水平位移测点布置

图10 土体深层水平位移

3 结构受力分析

3.1 有限元模型

有限元模型计算纵向长度为150 m，台后路基建模纵向长度为100 m，模型横向宽度为150 m，建模区域尺寸可避免来自模型边界的影响。土体采用摩尔库仑理想弹塑性本构模型，桥梁桩基、承台、桥台、墩柱系梁等采用弹性单元模拟，桩基和周围土层的相互作用通过设置界面单元实现。土层物理力学性质参数见表1。土体和基础结构均采用10节点四面体单元，本次计算共建立323 947个单元，节点445 772个节点。计算模型如图11所示。

图11 填土完成后计算模型

表1 模型材料及单元

土体天然密度、内聚力、内摩擦角参照地质勘查报告确定、泊松比、压缩模量参考《岩土工程手册》1995年4月第2版，及《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)，如表2所示。

表2 土层物理力学性质参数

3.2 计算工况

工况1：建立初始应力场：本工况通过对场地(不包括路基及桥梁结构)施加自重应力，建立初始应力场，以模拟土体初始状态。

工况2：建桩基、承台、桥台、立柱：本工况在工况1的基础上建立桩基、承台、桥台、立柱、墩顶约束、及上部结构自重，对上述结构施加自重，并计算土体和结构在自重荷载作用下的应力和变形。

工况3：建墩顶约束、及上部结构自重：工况在工况2的基础上建立墩顶约束、及上部结构自重，对上述结构施加自重，并计算土体和结构在自重荷载作用下的应力和变形。上部结构对下部结构的作用采用墩顶力与墩顶约束的方法进行模拟，墩顶支座用ELASTOPLASTIC弹簧模型进行模拟，弹簧初始刚度取5 000 kN/m，最大截至力为竖向荷载的10%。

工况4：台后及台下填土：本工况在工况3的基础上加台后及台前填土，并施加自重应力，计算在自重荷载，及土体和结构在填土自重荷载作用下的应力和变形。

3.3 计算结果分析

3.3.1 位移计算结构分析

由于本桥地面下2～6 m左右深度范围内存在泥炭质土，根据勘察报告，泥炭质土为可塑，其抗剪强度较低、压缩性较高、渗透性较小、天然含水较大，台后填土填筑后，由于填土较高，竖向压力大，桥台底面和路基两侧出现明显挤出效应，对桥台和桥墩有明显的外推作用，在台后深度2.0 m位置土体纵桥侧向位移最大，最大值达到0.240 m，如图12，图13所示。在泥炭质土横向挤出效应和台后填土侧向压力共同作用下，桥台支座处顺桥向位移最大达到3.745 cm，位于左幅3-1#支座处。桥台横桥向最大位移为0.454 cm，位于左幅3-1#支座处。左右幅桥墩横向位移主要是泥炭质土横向挤出效应的作用结果，桥墩处深度2.1 m处，土体横向位移为4.2 cm，导致桥墩墩顶出现横向位移，最大为-1.467 cm，位于左幅2-1#支座处。

图12 泥炭质土顶面x向移云图(单位：mm)

图13 泥炭质土顶面y向移云图(单位:mm)

在工况4台前及台后填土完成后，3#桥台和2#桥墩均发生偏位，表3、4为桥台和2#桥墩实测位移与计算值比较，通过比较可知，3#桥左幅计算值与支座滑移量除3-1#支座外较为接近，左幅计算结果与实际变形趋势基本一致。右幅桥台支座滑移量实测值较小，3-1#支座计算值与实测值相差较大主要与台背受力不均及支座安装误差有关。2#墩实测纵向变形与计算值基本相符。由计算及实测值可知，在台后填土作用下，桥台发生前倾。结构位移计算云图如图14，图15所示。

表3 3#桥台位移计算结果

表4 2#桥墩位移计算结果

图14 结构x向位移云图(单位:mm)

图15 结构y向位移云图(单位:mm)

3.3.2 应力计算结果

根据计算结果，填土建立后，3#桥台发生较大顺桥向侧移，由于桥台承台与桩顶固接，且承台刚度远远大于桩基，在双排桩情况下，侧向力作用下，桩顶处产生较大应力集中。在桩顶下6.4～21 m范围内桩身填土侧存在拉应力，最大值位于桩顶下10.08 m，最大值为10.264 MPa，超过C30混凝土抗拉强度标准值，因此桩身混凝土可能在桩顶附近及桩顶下10.08 m附近处存在开裂。

2#墩桩身在桩顶下8～12 m范围内填土侧存在拉应力，拉应力较小，最大值为 0.909 MPa，最大应力位于左幅2#墩2-1#桩桩顶下10.05 m处。

结构应力计算云图如图16,图17所示，桥台桩下部桩身最大应力计算结果见表5。桥墩桩身最大应力计算结果见表6。

图16 下部及基础第一主应力云图(单位:×10-3 kN·m-2)

图17 左幅2#墩第一主应力云图(单位:kN·m-2)

表5 3#台桩身应力计算结果

表6 2#墩桩身主应力计算结果

3#台左右幅桥台台身应力较小，2#墩墩柱在柱底部产生较大的拉应力，最大值2.451 MPa。系梁应力较小，最大应力位于2-1#系梁，应力大小为0.850 MPa，应力分布与裂缝分布基本一致。

4 病害分析及加固措施

4.1 病害分析

通过病害调查、监控数据及有限元分析得到以下结论：

(1)通过水平位移监测，沉降观测，深层水平位移观测。说明土体蠕变、固结仍在缓慢进行，但病害已经趋于稳定。

(2)由于桥址处存在大厚度的泥炭质土，路桥连接段填土作用下，桥台受填土侧向压力及路基下层土的挤出作用的附加力，桥台支座处顺桥向位移达到3.745 cm，位于左幅3-1#支座处。桥台横桥向最大位移为0.454 cm，位于左幅3-1#支座处。左右幅桥墩横向位移主要是泥炭质土横向挤出效应的作用结果，桥墩处深度2.1 m处，土体横向位移为4.2 cm，导致桥墩墩顶出现横向位移，最大达到-1.467 cm，位于左幅2-1#支座处。有限元计算结果与实测墩台位移基本吻合，说明结构模型及参数设置合理。

(3)有限元分析可知，桥台桩基在桩顶下6.4～21 m范围内填土侧存在拉应力，最大值位于桩顶下10.08 m，最大值为10.264 MPa，因此桩身混凝土可能在桩顶下10.08 m附近处存在开裂。2#墩桩身在桩顶下8～12 m范围内填土侧存在拉应力，拉应力较小，最大值为 0.909 MPa，最大应力位于左幅2#墩2-1#桩桩顶下10.05 m处。因此需要加强对墩台的变形监控。

(4)2#墩墩柱在柱底部产生较大的拉应力，最大值2.451 MPa。最大应力位于2-1#系梁，应力大小为0.85 MPa，应力分布与裂缝分布基本一致。由此可知，左幅 2-1#墩柱、2-2#墩柱低桩号外侧环向裂缝，是由于桥下软弱地基层在台后填土作用下发生顺桥向变形，2#墩柱顶为固定支座，故而在墩柱向低桩号侧产生过大负弯矩，致使墩柱开裂。

4.2 加固处置措施

根据上述病害成因分析，对该桥进行了有针对性的加固，主要措施如下：

(1)桥台台帽、桥墩及系梁裂缝进行封闭灌浆处治，后期定期观测。

(2)锥护坡局部沉陷开裂与坡体填土固结沉降及地基沉降有关，对锥护坡局部沉陷开裂病害进行局部拆除并修复；对所有锥护坡空心砖植被绿化。

(3)台后填土沉降进行灌注泡沫混凝土处治，桥头混凝土防撞护栏处波形护栏修复，因路基沉降造成桥头波形护栏与混凝土防撞护栏连接失效，应对连接部位进行修复处治。

(4)左幅3#台后搭板(13.25+8)m范围打孔注浆，将搭板脱空区域注满为止。在距3#桥3#台25 m 后路基下沉较为严重区域进行注浆，注浆深度6 m，增强填方的整体性。

(5)搭板后接(10+10+8)m 板桩结构，共设置两排抗滑桩，每排3棵，桩基深度需达到地质持力层，上设混凝土板，8 m 板末端设一道刚性基础支撑端。

(6)后期在左幅3#台背处安装限位装置。

(7)加强定期监测，监测1 a周期，如果各监测指标稳定无发展，可不做专项监测。

5 结论

近年来，由于软土地基中路基填筑不合理堆载造成的桥梁墩台侧移事故、病害屡见不鲜，需要引起工程界的足够重视，并对软土中路基的设计、施工或填土进行规范化，以避免同类事故的发生，保证桥梁后期运营安全。