库区高填方桥梁墩台位移病害及处治研究

张 涛，甘 军，2

(1.杭州市交通工程质量安全监督局，杭州 310014;2.同济大学，上海 200092)

桥台是连接桥梁与路基的重要部位，也是桥梁的重要受力构件，桥台失稳破坏将对整个结构造成极大影响。苏谦等［1］研究了地震作用下桥台破坏特点，考虑土体强度衰减效应对桥台稳定性的影响，将桥台—土体地震动力响应分析与Newmark有限滑移计算方法相耦合，提出桥台滑移计算公式。林德明［2］分析了软土地基桥台位移及稳定性的影响因素，从改善地基、减轻荷载和平衡荷载三方面介绍了预防桥台位移的措施。陈睿等［3］分析了软土地基桩基桥台由于软土地基塑性流动出现位移的原因，并介绍了几种防治方法，提出了施工中应注意的事项。杨玲燕等［4］分析桩柱式桥台桩基与软土地基的相互作用，以及软土地基桥台后填土对桩基产生的桩侧土抗力，分析由此导致的桥台位移以及防治措施。

但是对于库区高填方地基桥台位移及其病害处治尚缺乏针对性研究。本文结合某工程实际，通过数值计算及理论分析，研究库区高填方地基桥台-土体的破坏机制，及其病害处治方法。

1 工程概况

某库区公路简支桥梁，5跨20 m空心板梁桥，桥面连续，桥宽12 m，桥梁纵坡1%。桥墩采用桩柱接盖梁形式，墩身直径1.3m，桩基直径1.5m，桩基均嵌入弱风化钙质泥岩不小于5 m。常水位98.0 m，最高通航水位108.0 m(图1)。

图1 工程概况

原始地面高程为87 m，桥台高填土分层碾压密实至设计回填高程103 m，待土体稳定密实后进行墩台桩基施工。施工期间，1号、4号桥墩立柱在未架梁前发生向河侧倾斜现象，且桩柱结合处均出现了环向裂缝，于是进行了加固措施:

(1)对1号、4号桥墩的盖梁、立柱进行凿除，重新浇筑。

(2)在1号和2号、3号和4号桥墩下系梁处分别设置米字型框架进行连接。

该桥通车一年后，出现了如下病害:

(1)5号桥台两侧挡块位置出现了一道45°的贯穿斜裂缝，一直通至背墙，裂缝宽度约4 mm。

(2)桥台盖梁北侧在距肋身内侧约1 m的位置出现了一道细裂缝。

(3)伸缩缝型钢间隙变小。

2 病害原因分析

2.1 数值计算

采用MIDAS空间有限元单元计算软件，将盖梁、肋身、承台及桩基离散为四部分的有限单元模型，地基桩侧土符合温克尔离散线性弹簧模型，利用“m”法将地基桩侧反力模拟具有一定刚度的弹性支撑，建立侧向支撑弹簧，计算模型如图2所示。分别按照两种计算假定情况进行计算:(1)桥台后填土为稳定土体(填土的沉降及水平位移已经稳定);(2)桥台后填土未稳定(填土处于持续发生沉降及水平位移的状态)。

2.1.1 桥台填土为稳定土体

假设桥台后填土的沉降和水平位移已经稳定，填土作为外力加载于模型上，采用库仑土压力理论进行计算。填土重度γ=18 kN/m3，内摩擦角φ=30o，粘聚力c=0，台背肋身竖直，填土与台背肋身的摩擦角δ取为φ/2=15o。

桥台后填土施工要求第一次回填到达103 m高程，在填土密实、稳定后施工桥台桩基，桥台施工完毕后进行二次回填至112m高程。土体单侧土压力从103 m起算。

(1)计算结果

顺桥向位移在盖梁顶达到最大水平位移(图3)0.7 cm。现《公路圬工桥涵设计规范》(JTG D61-2005)对水平位移量无要求，根据原《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》(JTJ022-85)［5］要求，墩台顶面水平位移量Δ≤0.5L1/2=2.5 cm，因此对新老规范来说位移量均满足要求。

(2)结构受力情况

耳背墙及抗块:台顶位移量仅7 mm，桥台背墙不承受梁板反力，桥台背墙在台后土压力作用下承载能力满足要求。

盖梁:盖梁在肋身顶面位置抵抗负弯矩的钢筋抗弯承载能力满足要求，竖向抗剪亦满足承载能力要求。

桩基:桩身土中最大弯矩值M为1300 kN.m，而桩基的抗弯承载能力R(M)=1800 kN.m，满足承载能力要求。

2.1.2 桥台填土为非稳定土体

假设桥台后回填土体为非稳定土体，采用朗金主动土压力进行模拟计算。计算从原始地面线约87 m高程开始计算单侧主动土压力。台背肋身竖直光滑，填土重度γ=18 kN/m3，内摩擦角φ=30o，粘聚力c=0。

计算结果:

(1)顺桥向位移如图4所示，在盖梁顶达到最大水平位移，台顶位移达192 mm。

(2)结构受力情况:

根据背墙和梁板发生顶触的实际情况，在背墙位置处设置水平约束，分析结构受力，计算结果如下:

桥台顶部背墙处水平推力F=3300 kN。

桥台顶部背墙处弯矩值约M=1980 kN.m

桥台盖梁水平剪力Q=1320 kN

桥台盖梁水平弯矩M1=1190 kN.m

桥台顶部背墙处抗剪刀承载能力R(F)=4300 kN

桥台顶部背墙处抗弯承载能力R(M)=620 kN.m

盖梁抗剪承载能力R(Q)=2030 kN

盖梁抗弯承载能力R(M1)=520 kN.m

2.1.3 桥台位移病害原因分析

(1)桥台位移计算结果表明，若台后土体处于非稳定状态，会导致桥台承受台后土压力而发生明显的水平位移。如果无外力约束条件，水平位移将达到192 mm，该位移已经超过伸缩缝型钢宽度。

现场桥台背墙已与梁板顶触，反映桥台背墙发生了明显的水平位移，只是在梁板的约束下其水平位移才未继续发展，实际情况与数值计算结果相吻合，证明桩基及桥台施工时高填方地基尚未达到稳定状态。

(2)结构受力分析计算结果表明，R(M)＜M，背墙弯矩值已经超过其抗弯承载能力，在背墙与盖梁交界处即L型的凹角位置已开裂;R(Q)＞Q，盖梁抗剪承载能力仍能满足，盖梁在肋身附近，R(M1)＜M1水平弯矩过大，超过了其抗弯承载能力，出现竖向裂缝。计算结果与现场桥台结构开裂情况相吻合。

(3)综合模拟计算与现场病害情况，桥台位移病害的主要原因如下:

①设计单位未考虑到库区高填方施工难度大，尤其在工程工期紧张的条件下难以保证土体达到理想的稳定状态，也未考虑水位变化对土体稳定性的不利影响，没有提高桥台和桩基的安全系数。

②设计单位未对高填方施工，提出针对性的沉降和位移观测方案和技术要求。

③施工单位在高填方施工中，未针对现场邻水高填方制定有效的质量控制措施，路基填筑施工中填料继配、填筑层厚等控制不严格;同时未对填方地基进行沉降和位移观测，在尚未确定高填方地基是否已经达到设计要求的稳定状态的情况下，就进行了后续的桩基和桥台施工。

3 病害处治方案及实践结果

3.1 病害处治方案及工艺

处治方案:在桥台后路基上交错布置11根直径1.2 m的桩基，形成一道挡土结构。

施工工艺:在5号桥台后路基侧，采用旋挖钻机，先进行半幅的桩基施工，另半幅进行通车。待完成半幅施工及路面层的施工后，封闭另侧半幅路基施工桩基，利用施工完成的半幅进行通车。采用1.2 m的基桩交错布置，两侧分别各布置5根和6根，合计11根。

其它病害处理:针对砼裂缝开裂的情况，采用裂缝灌浆工艺对其进行封闭，然后在裂缝表面采用钢板进行粘贴加固(图5)。

3.2 病害处治结果

经建设单位委托第三方检测单位对该桥为期半年的监测，监测结果表明，台后路基沉降已趋于稳定，桥台裂缝基本没有发展，伸缩缝型钢无明显继续挤压趋势，纵桥向位移趋于稳定。

4 结论及建议

从该桥的质量事故分析，建议今后对桥墩台桩基有高填土的工程，应注意以下问题:

(1)库区公路桥梁设计中，尤其是对于水深比较大、水位变化比较大的路段，应优化桥跨布置，降低桥台处填方地基高度，避免高填地基土体稳定性不足引起的水平推力对桥台的影响。如果受条件制约，桥台位置无法调整且填方地基较高的情况，设计需明确具体的位移和沉降观测要求，给出明确的土体稳定指标，并应考虑水位变化等引起土体稳定性的不利影响，提高桥台和桩基的安全系数。

(2)库区道路桥梁桥台高填方地基施工时，应加强施工组织设计，首先选择合理的施工时间，安排在枯水位时施工，避免高水位时填筑;其次要严格控制填料的粒径和级配，填层厚度和压实工艺;最后，施工中必须进行地基沉降和位移观测，待确认地基土体稳定性满足设计要求后，方可进行后续桩基等施工。

[1]苏 谦，钟 彪，白 皓，等.基于滑坡破坏模式的桥台位移耦合计算[J].土木工程学报，2010，43：567-572.

[2]林德明.软基桥台位移病害分析及预防措施[J].山西建筑，2004，30(10)：122-123.

[3]陈 睿，何少锋，吴 杰.软土地基下桩基桥台位移病害及防治[J].山西建筑，2008(11)：122-123.

[4]杨玲燕，殷培南，杨仲元.软土地基桩柱式桥台位移影响及防治措施[J].浙江交通职业技术学院学报，2006(3)：21-24.

[5]JTJ022-85，公路砖石及混凝土桥涵设计规范[S].