连续梁桥桥墩偏位应急加固设计和效果评价

吴和才

(广西交通投资集团柳州高速公路运营有限公司，广西 柳州 545000)

0 引言

随着经济的发展和交通运输水平的提升，人民的日常出行效率大幅提高，因此，当交通运输的咽喉——桥梁出现事故时，应急处理的措施及效率对于道路的保通则显得尤为重要。此外，随着交通流量及车辆荷载的不断提高，在长期大交通量及超载运营的情况下，极大地考验着桥梁养护人员的管养能力以及出现事故之后的应急处理能力。

本文依托广西区内某高速公路桥梁，该桥在运营过程中出现了桥墩严重偏位，影响到桥梁的运营安全，在对该桥地基进行勘察、结构验算及结构病害分析的基础上，针对该桥的病害进行应急处理，保障交通通畅，研究该类病害更加快捷方便的处理方式，为今后同类型病害的快速处理提供参考。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

某桥梁桥长549.1 m，桥跨组合为3×30 m+4×30 m+3×30 m+3×30 m+5×30 m，上部结构为预应力混凝土连续T梁桥，桥面净宽11 m，沥青混凝土桥面。桥墩采用双柱式桥墩，桥台为肋板式桥台和组合式桥台，墩、台均采用桩基础。荷载等级：公路-Ⅰ级。该桥于2012年交付使用(见图1、图2)。

图1 桥梁第五联立面布置图(cm)

图2 下部结构横断面图(cm)

1.2 地形地貌

桥位区属低山河谷地貌，山体经长期剥蚀切割作用，地形连绵起伏，沟谷发育。两桥台座落在谷地两侧的斜坡上。谷地地形较平缓，宽约80 m。谷地中部有一条小溪通过，宽约3 m。山体最高处与谷底高差约100 m，桥位处斜坡坡角15°～25°，大部分覆盖残坡积土层，仅大桩号侧斜坡局部有基岩出露。在该桥勘察设计阶段，桥位区未见区域性断裂构造、岩溶塌陷、大型滑坡等不良地质现象存在。

1.3 地质构造

根据地质调查及钻探揭示，桥位区无区域性活动断裂发育，区域稳定性较好。桥位东北侧约200 m处有一近南北走向的逆断层，倾角约70°，受其影响，桥位区局部地段裂隙很发育，岩体破碎，方解石脉较发育。于12#墩旁边测得岩层产状为70°∠15°，局部褶曲发育。

1.4 水文地质

本桥位地表水体主要为流经本场地的小溪水，水量受降雨量影响较大，暴雨季节易发山洪。桥位区地下水主要为埋藏于第四系覆盖层中的孔隙水和基岩中裂隙水，属潜水类型。地下水以大气降水补给为主，水位随季节而变化。黏土(Qel+dl)为微透水层，强风化岩层为弱～中等透水层，中风化岩层为弱透水层，地下水相对较丰富。

2 病害检测情况

在该桥的日常检查中发现，右幅桥梁第五联存在偏位，偏位状态如图3所示。在发现主梁位移后，对该桥第16#、17#桥墩附近进行了地质勘探，围绕16#、17#桥墩布设了13个钻孔，钻孔布置如图4，探明地质情况。勘探结果为：(1)17#墩桩基嵌岩深度为7 m左右，满足设计要求；(2)17#墩桩基左侧2根桩基嵌岩深度约为7 m左右，右侧2根桩基刚进入中风化泥岩，不满足嵌岩要求；(3)16#墩桩基左侧3根桩基嵌岩深度约为7 m左右，右侧3根桩基还处在强风化泥岩层内，不满足嵌岩要求。

在对桥梁结构进行检测的过程中发现：(1)18#台外侧台帽挡块与T梁贴紧，16#、17#盖梁左侧T梁与盖梁挡块贴紧，部分挡块破损；(2)16#墩、17#墩墩柱出现环向裂缝，裂缝深度22 mm；(3)支座存在明显的剪切变形；(4)16#墩、17#墩墩身往小桩号方向和外侧倾斜；(5)16#桥墩墩顶主梁纵桥向湿接缝底部开裂。

图3 第五联主梁偏位状态图

图4 地质勘探钻孔布置图

3 原桥墩下部结构桩-土力学分析

桩基计算通过建立有限元模型，分析16#、17#墩桩基的内力。原结构离散图见图5～6。上部结构按照设计荷载计算最不利状态的荷载水平，考虑岩土对桩基的约束作用，桩基入岩按照实际情况模拟，采用弹性约束模拟最不利滑坡(强风化和中风化交界面为滑坡面)状况下的岩土边界，地基岩层示意图见下页图7～8，计算参数见下页表1～2。

图5 原16#墩结构离散图

图6 原17#墩结构离散图

图7 16#墩地基岩层示意图(cm)

图8 17#墩地基岩层示意图(cm)

表1 柱顶恒载计算汇总表

表2 岩土层力学参数推荐值表

经过计算分析，16#、17#墩桩顶截面受力最不利。选择桩顶进行验算，结果见表3。桩基承载力验算结果见表4。从计算结果得出：16#、17#桥墩桩顶截面承载能力满足规范要求，16#桥墩桩基轴向受压承载能力不满足规范要求。

表3 桩顶截面验算表

注：1.纵向配筋率按33根直径d=25 mm的HRB335钢筋计算，箍筋按间距为20 cm、直径d=12 mm的R235钢筋计算

表4 桩基验算汇总表

4 桥墩加固方案及计算分析

4.1 加固方案

鉴于该桥地处交通要塞，交通流量较大，桥梁无法长期封闭施工，为了防止加固施工过程中车辆荷载引起桥墩的变形，在实施加固施工前先采取临时性应急加固处理措施——用地锚约束下部结构，方案如图9所示，应急加固措施完成后再开放交通，进行永久性加固施工(如图10)：(1)将一股6φs15.2 mm预应力钢绞线锚固进中风化泥岩超过40 m，纵桥向布置4个锚固点，各承台均设置8个锚固点，每个锚固点锚固3根φs15.2 mm钢绞线，各锚固点设计张拉力为250 kN。张拉施工过程中对下部结构及桩基应力进行监测，确保施工过程安全。(2)应急加固措施完成后，采用“增加桩基，扩大承台”的方式，新增桩基采用嵌岩桩，并保证入岩深度，扩大承台，将新旧桩基形成群桩。

图9 应急加固措施平面图(cm)

图10 永久性加固措施施工平面图(cm)

4.2 加固计算

采用有限元软件对加固后的下部结构进行分析，结构离散图见图11～12。考虑上部结构荷载、应急加固2 000 kN锚索索力，16#桥墩最不利滑坡体水平分力4 877 kN，17#桥墩最不利滑坡体水平分力3 692 kN，对加固后的截面进行验算。验算考虑两种荷载组合：1.0恒载(结构恒载+锚索索力)+1.4水平推力；1.2恒载(结构恒载+锚索索力)+1.4水平推力。经计算分析，按照偏压或偏拉构件对最不利截面进行验算，结果见下页表5～9。

结果表明，加固后的桩柱的承载能力满足规范要求，桩基承载力满足规范要求。

图11 新16#墩结构离散图

图12 新17#墩结构离散图

表5 轴力验算结果表

表6 正截面抗弯承载力验算结果表

表7 斜截面抗剪承载力验算结果表

表8 裂缝宽度验算结果表(mm)

表9 桩基验算汇总表

5 加固后效果评价

为了对整个加固施工过程进行控制，确保桥梁结构加固过程中的安全，在应急加固措施实施前就对桥梁结构进行了位移监测点布设及初测，监测测点布置如图13所示。监控过程贯穿整个施工过程，位移测量采用0.5″全站仪采集，确保精度满足要求，监测频率为施工期间2次/d，竣工后1次/2d。

监测结果如图14～16所示，加固施工工期从9月开始，12月竣工完成。结果表明，从加固开始到竣工后的运营阶段，桥梁结构位移基本稳定，无明显位移。表明加固方案成功合理。

图13 第五联结构变形监测测点布置示意图

图14 下部结构纵桥向位移曲线图

图15 下部结构横桥向位移曲线图

图16 下部结构竖向位移曲线图

6 结语

该桥梁由于部分桩基未完全嵌岩导致桥墩产生严重倾斜，存在重大安全隐患，但该桥地处交通咽喉位置，进行永久性加固施工在时间上难以满足交通开放要求，故应及时提出应急维修加固方案。通过对该桥加固施工过程进行的监控可知，该桥结构稳定，未产生明显位移。结合结构承载能力验算，表明该应急加固措施以及永久性加固措施达到了预期效果，解决了潜在的安全隐患，为今后同类桥梁事故的加固施工提供了有价值的参考。