软土地质条件对桥梁结构安全的影响

邱体军， 崔方胜

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

软土地质条件对桥梁结构安全的影响

邱体军， 崔方胜

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

软土由于其土体结构的不稳定性，给结构工程带来诸多问题，长期以来一直困扰着人们。通过工程实例进行分析总结，将有助于提高人们对软土特性的进一步认识，有助于提高同种条件下桥梁结构的可靠性和对该类病害的防治。

软土；蠕动变形；桩基偏位；病害分析

0 引 言

安徽省是中国东部拥江近海的内陆省份，坐拥淮河、长江、新安江三大流域，形成淮北、江淮、江南多元的地域特征。全省范围内软土分布区域较广，主要集中在长江下游沿江地段。软土由于其土体结构的不稳定性，给结构工程带来诸多问题，长期以来一直困扰着人们。

对软土地质条件下桥梁结构产生的病害进行分析总结，将有助于提高人们对软土特性的进一步认识，有助于提高同种条件下桥梁结构的可靠性和对该类病害的防治[1]。

1 软土的特性

软土主要是由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土[2-4]。

1.1 高含水量和高孔隙比

软土的天然含水量一般为50%～70%，最大甚至超过200%。天然孔隙比在1～2之间，最大达3～4。软土的如此高含水量和高孔隙比特征是决定其压缩性和抗剪强度的重要因素。

1.2 渗透性弱

软土的渗透系数一般在1×10-4～1×10-8cm/s之间，由于土层中夹有数量不等的薄层或极薄层粉、细砂、粉土等，故在水平方向的渗透性较垂直方向要大得多。

由于该类土渗透系数小、含水量大且饱和状态，这不但延缓其土体的固结过程，而且在加荷初期，常易出现较高的孔隙水压力，对地基强度有显著影响。

1.3 压缩性高

软土均属高压缩性土，其压缩系数a=0.1～0.2,一般为0.7～1.5 MPa-1，它随着土的液限和天然含水量的增大而增高。由于土质本身的因素而言，该类土在荷载作用下的变形有变形大而不均匀和变形稳定历时长两个特征。

1.4 抗剪强度低

软土的抗剪强度小且与加荷速度及排水固结条件密切相关，不排水三轴快剪所得抗剪强度值很小，且与其侧压力大小无关。排水条件下的抗剪强度随固结程度的增加而增大[5]。

1.5 较显著的触变性和蠕变形

软土地质的这些特性，使得理论上很难准确地模拟其实际物理特性。同时，在施工扰动、周围环境的影响下，设计与施工也存在不同程度的偏差，致使结构的受荷情况与设计的假定条件很难一致，这是软土地质条件下桥梁结构安全控制的复杂之处。

2 工程实例

以一座跨闸公路桥施工过程中产生的病害为例，谈谈软土地质条件对桥梁结构安全的影响。

2.1 场地地质情况

根据地质勘察报告，桥位处地层自上而下依次为：素填土、淤泥质粉质黏土、粉土、粉细砂、角砾、强风化砾岩、中风化泥质粉砂岩[6]。土层分布见表1所列。

表1 桥位处地质情况 m

2.2 项目概况

跨闸公路桥上部结构采用18 m现浇钢筋混凝土箱梁及32 m现浇预应力钢筋混凝土箱梁，现浇箱梁梁高1.7 m，顶板宽10 m，底板宽6 m，桥面宽度为8 m(行车道)+2×1 m(人行道)，全宽10 m。下部结构桥墩采用双柱式桥墩，桩基直径采用1.6 m和1.8 m，墩柱直径1.4 m和1.5 m，设计平均桩长60 m，经淤泥质粉质黏土、粉土、砂砾石层进入中风化泥质粉砂岩[7]。

桥梁标准横断面，如图1所示。

图1 桥梁标准横断面

为满足桥下通航净高的要求，加上场地受长江大堤、节制闸、老船闸等永久性建筑物的限制，桥梁以近似U型的线形与节制闸桥和大堤相接，桥梁第10跨横跨上游导航墙。

为了保证地方道路的畅通，工程建设采用先修建公路桥，使其与两侧的道路衔接起来，再修建船闸。

桥位平面布置图，如图2所示。

桥梁上、下部结构施工完成后进行船闸基坑的开挖工作。大堤顶面与船闸基底高差约14 m，现场采用自然放坡的方式进行基坑开挖。在闸室开挖施工过程中，桥位处的大堤边坡土体发生蠕变，坡面局部有鼓曲现象，坡顶料场地面出现裂缝，使位于基坑周边的公路桥桥墩尤其是第五联桥墩因土体变形产生了较大的偏位，并引起梁体偏移，对桥梁结构的安全带来了较大影响。

图2 桥位平面布置图

2.3 主要病害

(1) 第4、5联桥梁桩基向基坑侧发生较大偏位，偏位值12.3～26.8 cm。

(2) 桥墩下系梁出现明显竖向裂缝。

(3) 由于上部箱梁已施工完毕，加上支座的嵌固作用，个别桥墩墩顶支座上下钢板相对偏位值达10 cm。

3 病害原因分析

现场病害发生后，建设单位高度重视，多次联合设计、施工、监理单位邀请省内外相关专家和学者参与病害原因分析和研讨。大家一致认为在软土地质条件下通过理论计算分析桩土共同作用难度较大，现有规范对软土各项指标的选取规定弹性较大，计算人员很难把握；桥梁规范推荐的“m”法仅适用于土体变形较小的情况，即桩周土处于弹性状态，而本工程中的桥桩变位较大，部分土体完全进入塑性状态，计算时需对土体刚度进行折减以模拟其实际工作状态[8]。根据现场病害发生的过程及病害特征，分析得知主要有以下几方面的原因：

(1) 软土的特性：工程区淤泥质软土自地面向下分布，厚度在25 m以上，该土层强度低，含水率达40%，空隙比大于1，液限指数大于1，压缩性高，流塑状，承载力小，土体灵敏度3～5，具有触变性。

现场基坑深度大于10 m，软土深度超过30 m。从土层特性及基坑边坡变形特征分析，地基受荷载变化和施工扰动造成土体蠕变，受扰动土体强度降低，引起边坡土体向临空面方向的蠕变，从而带动桥桩变位，是造成桥墩变形的主要原因[9]。

(2) 施工顺序不合理：桥位区软土厚度较厚，受地方交通、施工进度等影响，采用先桥后闸的顺序施工，桥梁施工完成后再进行基坑开挖，施工期间又未对桥墩采取有效的保护措施。桥梁的存在对基坑开挖引起的土体变形提出更为苛刻的要求，这是工程施工难以做到的。

(3) 施工过程产生附加荷载：第4、5联桥左侧料场的设置加大了桥梁两侧不平衡荷载。施工便道紧邻桥梁的设置增加了施工机械对土体的扰动。

(4) 桥墩采用单排桩设计：在基坑深度如此大的情况下单排桩整体抗变形能力有限[10]。

4 加固处理措施

在保证桥梁状况不再恶化的前提下，现场做了大量工作才使得船闸工程得以顺利实施。船闸施工结束后，通过钻孔全孔壁成像检测技术对偏移量较大的几根桩基进行了检测，检测结果显示桩基开裂断面位于桩顶14 m以下。

根据成桥状态下桩基受力情况分析，桥墩在纵向力(汽车制动力、温度力等)作用下，桩基土中最大弯矩出现在地面以下4～6 m处，在12～15 m左右弯矩递减为0。

根据检测结果结合计算分析，认为桥梁在闸室墙土方回填完成后，两边不存在不平衡荷载的情况下，桩基竖向承载力能满足后期使用要求，并针对公路桥存在的病害采取以下处理措施：

(1) 对系梁处裂缝灌胶封闭处理。

(2) 对桩基偏位值大于10 cm的桥墩，采用压力注浆对桥墩周边土进行处理，注浆孔深度15 m[8]。

(3) 第4、5联在基坑侧距老桥边缘5 m处新建一条顶宽5 m的反压坡道，坡道采用黏土压实。

(4) 对支座上下钢板相对偏位值大于10 cm的桥墩，通过灌注支座灌浆料增设辅助支座。

(5) 第4、5联桥墩四周5 m范围回填土采用8%石灰土进行换填，换填深度1.5 m。

(6) 加强桥面现浇层钢筋配置，施工桥面系。

经处理后桥梁已正式通车多年，运营情况良好。

5 结束语

由于软土地质特性的缘故，软土地基桥梁病害发生、发展的可预见性较差，且病因较复杂，这增加了结构安全和耐久性问题解决的难度，然而，尽管实际工程的情况各不相同，同一类桥梁病害还是具有一定的共同特点。

通过对同一类病害的分析总结，能不断完善设计，有效控制病害的发生。希望通过本文的论述，大家能对软土地质条件对桥梁结构安全的影响有进一步的认识，在以后的工作中注意预防和避免。结合该工程病害发生的过程和处理结果，从设计的角度总结几点供大家参考：

(1) 桥梁布跨时，应有意识地增加桥长将桥台后移，降低台后填土高度[11-12]。

(2) 桥位处软土深度超过25 m时，桥梁下部结构基础形式应优先选择群桩基础。

(3) 软土地区如相邻位置有其他交叉工程，须遵循先深后浅的基本施工顺序。

(4) 桥位区施工时还应加强对地基及结构物的后期观测，尤其注意变形观测，对有可能产生蠕动变形的地质更要加以注意。

(5) 跨闸公路桥建设工地，在软土分布较深的情况下，建议桥梁主体结构在船闸闸室墙后回填土完成之后实施。

[1] 祝敏方.软土地质条件下桥梁病害分析及防治对策[J].中外公路,2004,24(1):29～32.

[2] 侯树刚.软土的工程特性研究及软基处理[J].岩土工程界,2003,6(10):35～36.

[3] 陈德华，宗超男，余景江．浅谈水利工程软土地基建设控制[J]．工程与建设，2014，28(6)：804～805，808．

[4] 宋建国，夏 英．软土地基处理技术[J]．黑龙江水利科技，2009(2)：57～59．

[5] 刘正峰.地基与基础工程新技术实用手册(第3卷)[M]. 北京:海潮出版社,2000.

[6] 《桩基工程手册》编委会.桩基工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1995.

[7] 赵明华.桥梁桩基计算与检测[M].北京:人民交通出版社,2000.

[8] JTG D63-2007,公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[9] 罗长虹,丁 威,李顺群,等.土质边坡稳定性弹塑性大变形有限元分析[J].安徽建筑,2008(4):177～178.

[10] 魏焕卫,杨 敏.大面积堆载情况下邻桩的有限元分析[J].工业建筑,2000(8):30～33.

[11] 张天明.桥墩病害处治方法探索——重庆菜园坝长江大桥引桥桥墩的纠偏与加固记实[J].公路交通技术,2008(1):94～96.

[12] 聂如松.软土地基桩基础桥台工作机理与设计方法研究[D].长沙:中南大学,2009.

2016-08-08

邱体军(1983-)，男，安徽六安人，安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司高级工程师．

U448.215

A

1673-5781(2016)04-0517-03