基于扶壁式桁架结构的桩柱式桥台加固新法

2018-08-20高泽宇

土木工程与管理学报 2018年4期

尚刚，高泽宇

(1. 安阳西北绕城高速公路有限公司，河南安阳 455000； 2. 湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉 430068)

截止到2017年底，全国公路桥梁已达83.25万座，其中中小型桥梁占比高达88.42%[1]。由此可见,绝大多数桥梁均是中小型结构，而桩柱式桥台由于施工方便，受力明确，构造处理简单，以及造价相对低廉而成为这类桥梁的主要桥台形式。

然而，工程实践发现，虽然桩柱式桥台具有诸多优点，但其抗推刚度小，容易发生倾斜和桩(柱)开裂，承载力低等不利因素制约了其应用。许多既有桩柱式桥台，由于台后填土滑动、路堤加高、车辆冲击作用、施工顺序不当等，导致在施工或使用期间，桩(柱)身出现环向裂缝或倾斜(图1)。针对以上问题，既有的解决方案大多采取基桩注浆或锚定加固法。虽然这些方法均能在一定程度上提高基桩承载力和稳定性，但是由于前者主要靠改善桩周摩擦力来提高基桩承载力，桥台抗推刚度几乎未得到改善；后者较大程度上提高了桥台抗推刚度，但是基桩承载力并未提高，且这种加固方式容易受到台后路堤填土土质和密实度影响，一旦路堤填土出现塌方或滑坡，这些加固方式可能失效。

图1 土压力下的桩柱倾斜、开裂

针对既有桩柱式桥台加固方式的不足，国内外已开展了大量研究和工程实践，如黄龙田等[2]针对江门潮连大桥桩柱式桥墩在被动土压力下发生大量环向裂缝，根据裂缝分布规律和土压力分析结果，在桥墩横桥向增设新基桩，并用承台与既有墩柱底部相连，替代原失效结构；通过建立不同边坡坡度下的桥梁基桩试验模型，文献[3～5]深入探讨了高陡横坡下桩柱式桥梁双桩基础的破坏模式和承载机理，表明高填方横陡坡桩柱内力分布规律与陡坡单桩及双排抗滑桩差异显著。软土地基桥梁台后挡土墙向河心侧倾斜，导致桩柱式桥台承受成倍增加的水平推力，进而产生严重病害，郭义飞[6]在分析病害机理和病害特点的基础上，针对单跨桥梁结构，提出采用两桥台之间设置支撑梁，形成主梁和新增支撑梁的“口”字形结构抵挡台后土压力。但该方法只能适用于跨度10 m以下的单跨结构，且施工过程中不能大量开挖桥下河床，否则将可能导致病害瞬间恶化；文献[7，8]探讨了在地铁和深基坑建设中的临时支挡结构，这些研究成果对治理桩柱式桥台结构具有重要的借鉴意义；李逸等[9]研究顺层边坡在地震下的稳定性问题，研究成果对该地段桥梁墩台稳定性和病害防治具有重要提示作用。大量的既有研究和工程实践较大程度上规避了桩柱式桥台的不足，促进了其发展。然而，对于出现倾斜开裂的桩柱式桥台，有效的加固措施仍显匮乏，亟待研发加固效果显著且便于实施的加固方法。

基于上述考虑和某桩柱式桥台在施工期间的成功加固，研究提出了扶壁式桁架加固桩柱式桥台新方法。该方法可以大幅度提高桥台水平抗推刚度、承载力和稳定性，且具有施工简单和不影响外观等优点。

1 扶壁式桁架加固桩柱式桥台

1.1 加固构思

桩柱式桥台的显著特点是构造简单，传力路径明确，同时施工非常便利，无需对路堤大填大挖。然而，由于其抗推刚度较低，其典型病害往往是在车载和台后土压力作用下，土体形成向河心侧滑动，造成桥台前倾(图2a)，从而导致桩(或柱)身开裂和失稳，桥面伸缩缝挤压、失效，且一旦基桩承载力降低，加固相对困难。这种现象在高填方路桥衔接段表现尤为突出，进而威胁桥梁安全。

为此，研发了扶壁式桁架结构加固桩柱式桥台，该加固方式的构思是，在桥台河心侧一定距离处新增基桩(图2b)，桩顶通过纵横连梁、斜撑与原桥台基桩连接，形成扶壁结构支撑原桥台，新老结构共同构成桁架，可大幅度提高原桥台抗推刚度、承载力和稳定性。这种加固方式的另一个显著特点是，刚度和基桩承载力提高幅度可以借助新老基桩的顺桥向间距L、斜撑与桩柱的连接位置和新增基桩的长度H4(图2b)方便地人为调控。

图2 扶壁式桁架加固桩柱式桥台

1.2 抗推刚度和承载力

(1)台顶抗推刚度变化

为适应主梁伸缩，台口一般设置滑动支座，略去伸缩缝的微小水平抗推作用，则桩柱式桥台相当于底部弹性约束，上部自由的悬臂结构(图3a)。以河床线之下的土层约束基桩考虑(为方便对比且不失一般性，可假定柱底即土层顶面处固结)，在台顶单位力作用下该结构的水平抗推刚度为Kz为：

(1)

式中：EI为桩(柱)抗弯刚度；H1见图2b。图3d所示采用扶壁式桁架加固后的桥台，其实质上已经转变成类似肋板式桥台结构了。假定斜撑顶部在墩顶，纵向联梁设置在河床顶面，则加固后的桥台台顶单位力作用下的水平抗推刚度KH(约束条件同上，并略去斜撑的变形影响)为：

(2)

以H1=6 m，H2=2 m，H3=4 m，L=4 m(各符号含义见图2b)，桥台桩(柱)直径为1.5 m，斜撑和连梁截面尺寸为0.8 m×0.8 m，采用C30混凝土，并假定柱底即土层顶面处固结，则桩顶单位力作用下，加固前后结构效应如图3b，3c,3f，3g。

图3 单位力作用下加固前后结构效应

由图3可知，桩柱式桥台扶壁式桁架加固前后，在单位力作用下，桥台桩身最大弯矩由6.0 kN·m 降至2.0 kN·m，挠度由0.00996 mm降至0.00288 mm，弯矩和变形降幅分别高达66.7%和71.1%。可见，扶壁式桁架加固法对提高桩柱式桥台刚度效果非常显著。

(2)桥台基桩承载力变化

假定新老基桩土层一致且单一，两者桩径相同，以钻(挖)孔摩擦桩为例，忽略桩端土层承载力的贡献，则桥台基桩承载力与桩长呈线性变化：

(3)

式中：[Ra]为单桩轴向受压承载力容许值(kN)；u为桩身周长(m)；n为土层数；li为承台底面或局部冲刷线以下各层土的厚度(m)，扩孔部分不计；qik为与li对应的各层土与桩侧的摩阻力标准值(kPa)。

由式(3)可见，基桩承载力提高系数与桩长呈正比。因此，为达到目标承载力，可通过调整新增基桩的长度H4实现。

2 扶壁式桁架的合理构造

虽然在桥台河心侧增设扶壁式结构，与桩柱式桥台形成新的桁架结构可以大幅度增加桥台抗推刚度和承载力。但是，新增的连梁、斜撑和基桩也不可随意布置，否则不仅改变了原桥台桩(柱)受力模式，且可能导致桩(柱)身局部应力过大，造成结构新的损伤。同时，若新增基桩的间距等参数布置不合理，除了影响台前护坡设置外，也将可能导致连梁尤其是斜撑受力不利。因此，为获得合适的扶壁桁架结构参数，即取得合理的斜撑与桩(柱)身连接点、新老基桩间距L等参数，需深入进行不同参数下的结构响应分析。

加固之后的桥台，在土压力作用下(以单位均布荷载作用于桩(柱)身，方向为水平向河心侧)，随着斜撑与桩(柱)结点位置H3和新老基桩间距L的变化，桩(柱)身及斜撑响应规律如图4。

图4 H3和L变化与桩(柱)身及斜撑响应

由图4a，4b可见，随着斜撑与桩(柱)结点位置降低，也即H3逐渐减小，桩(柱)顶变形不断增加，桩(柱)身负弯矩(背河心受拉为负)随之升高，桩(柱)身正弯矩及其对应的变形逐渐减弱。过大或过小的弯矩及其变形都是不可取的，因此合理的结构布置应该是两者较为均匀分布的原则。当H3在0.6H1附近，也即斜撑与桩(柱)结点大约位于桩(柱)地面以上高度的0.6倍时，由图4a可见，桩(柱)身正负弯矩两条曲线在此范围交叉，此时桩(柱)身正负弯矩均达到较小值，扶壁式桁架结构受力较为合理。

同样，从图4d不难发现，随着新老基桩间距L的不断减小，土压力下桩(柱)顶部水平变形增大，即意味着扶壁式桁架结构的整体刚度逐渐降低，此时，斜撑弯矩略增大，轴力降低(图4c)，则新增基桩的有效作用在削弱。理论上讲，越大的基桩间距，可以获得更佳的抗推刚度，但斜撑压力也将增加，需要更大的截面尺寸获得足够的稳定性，同时，基桩间距也要受控于规范所规定的最小间距要求。因此，综合上述意见和工程实践，建议新老基桩间距L介于2.5d～4.0d(d为基桩直径)之间，可获得各项力学指标的均衡。

3 工程实例

某3×10 m空心板桥，桥面宽度12.5 m，桥台填土高度7.9 m(原地面至河床面高3 m，台后道路路基填高4.9 m)，设计荷载公路-II级，墩台均为桩柱式结构，桩径1.1 m，柱径1.0 m。

建设过程中，桥台做好，主梁架设之前，施工单位就开始填筑台后4.9 m高的填土，完成填土后，发现台身向河心侧倾斜多达5.9 cm(图5a)。

图5 某桥台加固方案

上述问题出现后，施工单位立即停止施工，经深入分析，其病害原因为：(1)由于台后路基填土较高，设计采用桩柱式桥台并不合理，且桩径偏小；(2)施工填土顺序不正确，台前台后填土均应分层夯实，而实际施工关注台后填土，忽略了台前填土的同步和填筑质量，且最好在主梁架设后填筑。

由于桥台前倾量较大，不仅台身可能发生环向开裂，而且压缩了台口间隙影响主梁落梁，更重要的是，桥台抗推刚度无法满足实际需要，需采取综合加固措施，方可确保结构安全和后期正常运营。为此，选择在台前增设扶壁式结构进行加固：首先开挖已经填筑的填土，让基桩尽可能复位。之后，在原基桩对应的台前，分别施工三根基桩，新老基桩间距为3.5 m，在原桥台桩身植筋，采用斜撑和连梁将新老结构连成一体，最终形成桁式框架结构(图5b，5c)，并在其上设置台前护坡，施工完成后，桥梁外观与原设计结构并无差异。经加固后，桥台水平抗推刚度提高了71%，基桩承载力提高了26.3%。该桥已运营多年，桥面台口伸缩缝未出现挤压现象，表明桥台未再继续向河心侧发生位移，运营状况良好。