增补桩基加固技术在墩柱盖梁裂缝病变桥梁的应用探讨

黄秀珠

(广西交通投资集团河池高速公路营运有限公司，广西 河池 547099)

0 引言

桩基承载力不足，埋置深度不够，可能引起墩柱下沉，产生过大变形，进而导致墩柱、盖梁等受力构件开裂，支座变形。如果这些病害得不到及时、有效的维修与加固，桥梁安全风险则会增大，甚至失稳。

增补桩基加固法是目前处理这类桥梁病害比较成熟的技术之一。此技术就是在原桩基周围补加新的桩基，桩顶新旧承台通过植筋，协同受力，扩大受力面积，使墩台所承受的荷载传递至新桩基，达到降低旧桩基荷载、共同提高整个墩台稳定性的目的。本文介绍该加固技术在六河高速公路白岩脚大桥16#、17#墩桩基加固施工中的应用。

1 工程概况

白岩脚大桥位于六河高速公路，桥梁中心桩号为K1658+231。上部结构采用5联18跨(3×30 m+4×30 m+3×30 m+3×30 m+5×30 m)先简支后连续预应力混凝土T梁，交角90°，右幅桥长549.1 m，左幅桥长551.9 m，支座为橡胶板式支座；下构桥墩为双圆柱型桥墩配桩基础，0#桥台采用肋板式桥台，18#桥台采用柱式桥台，墩台均为桩基，桩径1.8 m，柱直径1.26 m。桥梁于2012年7月建成通车。

在2016年6月例行检查时，该桥18#跨桥面标线出现横向位移6 cm，防撞墙错位达8 cm。

经广西金盟工程有限公司对该桥进行检测，并与2014年7月检测数据比较，结果如下：

(1)上行线17#墩往桥梁外侧位移39 mm，往小里程(贵州)方向位移32 mm；下行线17#墩往桥梁内侧位移10 mm。上行线16#墩往桥梁外侧位移23 mm，往小里程(贵州)方向位移9 mm，高程下降18 mm。

(2)上行线16#墩左墩柱共发现环向裂缝9条，总长10.87 m，缝宽最宽为0.36 mm，裂缝集中在盖梁底面往下2.77 m以内；上行线16#墩右墩柱发现环状裂缝23条(内外侧墩柱均有)，也集中在盖梁底面往下2.5 m以内，总长29.45 m，最大缝宽0.88 mm；上行线17#墩外墩柱发现1条环向裂缝，长1.77 m，宽0.15 mm，距盖梁底面0.43 m，其他墩柱未发现裂缝。

(3)支座剪切变形。因墩柱变形，继而引起盆式橡胶支座产生剪切变形。其中变形最严重的为上行线17#墩。

(4)上行线16#、17#墩柱盖梁受挤压开裂，裂缝为竖直方向，继而引起挡块侧向受压开裂。17#墩盖梁裂缝深度达18 mm。

16#墩因向内侧位移，T梁与挡块紧贴，向挡块倾斜，引起挡块外倾变形。查原桥设计图，该桥16#、17#墩均为单排桩基础，按照支撑桩设计，设承台连接墩柱。查竣工资料，16#墩桩基有效孔深约为16 m，地质钻孔柱状图如图1所示。桩基嵌入强风化泥岩在4～7 m。

图1 16#、17#墩桩基外桩地质柱状竣工图(cm)

2 变形、开裂、下沉原因及机理分析

桥梁病害发生后，由广西金盟工程有限公司进行检测，广西交通规划勘察设计院进行地质勘探。

2.1 桥址地质状况

为摸清16#、17#墩桥址地质状况，在桥址位置重新钻探。经钻探揭示，黏土层(Qel+dl)厚2.00～6.50 m，呈可塑～硬塑状；下伏全风化泥岩、泥页岩分别呈硬塑黏性土及可塑黏性土混碎石状，层位不稳定，性质不均匀；强～中风化基岩遇水易软化、崩解，失水易干裂的特性使其抗风化等外界不良地质应力作用的能力较弱。下伏基岩中存在全、强风化层中夹中风化层或中风化层中夹全或强风化层现象。

对照竣工图及施工资料，原设计采用端承桩。桥址补钻显示，左幅17#墩桩基嵌岩深度为7 m左右，满足设计要求。右幅17#墩桩基左侧3根桩基嵌岩深度约为7 m左右；右侧3根桩基刚进入中风化泥岩，不满足嵌岩要求。右幅16#墩桩基从2#钻孔推断左侧3根桩基嵌岩深度约为7 m左右；从3#和12#钻孔推断右侧3根桩基还处在强风化泥岩层内，不满足嵌岩要求。

场地地基不均匀，为非均匀性地基。下伏基岩为泥岩、泥页岩，局部含炭质，在地表水入渗或地下水的作用下，其物理性状将发生以泥(软)化为主的弱化效应，力学强度衰减，具时效蠕变性。

2.2 桥址地质条件与端承桩不匹配

查竣工图及钻孔记录，该桥实际按照端承桩施工。但16#、17#墩的基桩未嵌入中风化泥岩岩，或嵌入中风化岩深度不足。同时，在成孔过程中，因泥浆护壁，水的侵蚀软化了泥岩，承载力降低。由于桥址部位强风化层以上岩土层工程性质较差，造成部分基桩地基承载力不足，地基发生不均匀沉降，进而导致桩基础发生破坏及上部构造接着发生变形、破坏等。从因果关系的角度来讲，地基的不均匀沉降和地基失效同样会引起桥址所在坡体变形、失稳。此外，后期填土层(Qme)的附加荷载、负摩擦效应及下伏各岩土层的软化、力学强度衰减的时效蠕变性也是其中的影响因素(见图2)。

图2 16#、17#墩工程地质剖面图(cm)

2.3 次生病变

本文以白岩脚大桥16#、17#墩墩柱变形、开裂，造成盖梁开裂及支座变形为分析研究对象。这些病变，均可归结为桥址地质条件与端承桩不匹配造成，桩基因承载力不足，桩身变形、下沉，继而引起墩柱盖梁开裂或变形等次生病变，甚至引起梁板开裂，危及桥梁安全。

3 加固设计与施工

加固方案的总思路是在维持原有设计荷载等级的前提下，通过加固，纠正变形，确保裂缝不再扩张，提高桩基承载能力和抗变形能力。

3.1 加固设计总体思路

3.1.1 摩擦桩取代端承桩

根据重新勘察的桥址地质情况，两桥墩处地质以泥岩作为持力层，不足以采用端承桩。因此，推荐采用摩擦桩基础。桩长应根据场地各地层分布及其力学性质、特征并结合上部荷载，通过计算确定。两桥墩至河池桥台一带宜以混凝土对河床作封闭处理，以防地表水长期入渗而降低地基强度。

3.1.2 应急加固

观测显示，16#、17#墩发生变形和环状裂缝后，连续观测7 d，变形和环状裂缝不再扩张，趋于稳定，说明桥梁暂时不会失稳。为防止加固过程中破坏原结构受力，对变形较大的16#墩采取锚索补张拉法，先进行应急加固，再进行永久加固处理。

3.2 应急加固

采用竖井方法，将承台覆盖土开挖后，在边坡钻孔，倾角为垂直向下3°。采用锚索φs15.2 mm预应力钢绞线，每根锚索由6根预应力钢绞线组成，锚索张拉控制应力值σcon=595.2 MPa。每个锚固点张拉力为250 kN。应急加固方案如图3所示。

图3 应急加固断面图(mm)

3.3 增补桩基加固

本次加固采用“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。

(1)在永久性加固施工前，根据监测结果对应急加固采用的锚索进行补张拉，补张拉锚索张拉控制应力σcon=0.32fpk=595.2 MPa，每个锚固点处的设计张拉力为250 kN。补张拉完成后，对锚索、锚头进行封闭处理，原承台锚孔注浆封闭。

(2)根据永久性加固设计方案钻孔成桩，扩大承台，新增承台的钢筋与原承台钢筋采用焊接连接成一体，同时在新旧承台混凝土交界面植筋，以增强新旧混凝土的协同受力。根据原地质勘察结果，为保证桩基进入中风化岩层，16#桥墩桩基新增桩长32 m，17#桥墩桩基新增桩长30 m，桩径1.8 m。

16#墩基础增补桩基设计平面图见图4。增补桩基按摩擦桩设计，不计算原有桩基受力，比旧桩基加长10 m/根，其立面图见图5。

新增承台与旧承台连接采用植筋方式，协同受力。植筋示意图如图6。新旧混凝土交界面处成凹凸差≥6 mm的粗糙面。植筋采用直径12 mm的HRB400带肋钢筋，植筋深度120 mm，间距600 mm。钻孔直径15 mm，用A级胶粘剂固结植筋。

图4 16#墩增补桩基及承台平面图

图5 16#墩增补桩基及承台立面图(cm)

图6 新旧承台植筋示意图(mm)

3.4 粘贴碳纤维布结构补强处治墩柱施工方法

打磨混凝土结合面→修补结合面→刷粘胶→粘贴碳纤维→刷粘胶保护(墩桩碳纤维布加固见下页图7)。

图7 墩桩碳纤维布加固示意图(cm)

3.5 盖梁裂缝处治施工方法

清除挡块部分原有破损混凝土→表面清理→植筋→浇筑混凝土→混凝土达到80%强度→在盖梁侧面粘贴加强钢板(图8为粘贴钢板化学锚栓大样图)。

图8 桥梁盖梁粘贴钢板化学锚栓大样图(mm)

3.6 施工

该桥桩基钻孔在有限空间作业。施工队伍选择回旋钻机钻孔，泥浆护壁法。本桥处于运营中的高速公路，属于应急加固。为确保过往车辆以及施工作业的安全，加固施工时封闭右幅桥面交通，施工期间右幅过往车辆改道左幅通行，加固措施实施后开放交通。

4 加固效果

应急加固于2016-09-25完成，9月30日开放交通。同时，按照加固设计，在应急加固基础上，增补桩基，植筋加固承台，封闭墩柱盖梁裂缝，重建16#墩挡块，更换支座等系列加固措施于2016-12-20完成。应急加固后连续观测5 d，沉降、位移基本趋于稳定。

其中第五联其它墩柱位移监测情况如下：

(1)沉降均在合理范围内，14#桥墩沉降较初始值下沉3.9 mm，15#桥墩沉降较初始值下沉4.2 mm，17#桥墩沉降较初始值下沉6.3 mm。

(2)水平向无明显偏位。应急加固锚索拉力整体呈微小下降趋势，基本处于稳定状况。投入使用后，每个季度连续跟踪观测变形，基本处于稳定状态。至2018-05-01前观测，所加固的桥墩，没有产生新的裂缝、变形，桥梁目前处于正常服役状态。

5 结语

(1)增补桩加固法是一种成熟的，针对旧桥桩基承载力不足及变形大的单桩、单排桩、群桩进行有效加固的方案。

(2)嵌岩深度是确保桩基承载力与稳定性的关键因素。

(3)设计时合理论证，根据桥址地质状况选择摩擦桩、端承桩和嵌岩桩。