湿陷性黄土地区公路桥梁病害形式及产生机理分析

杨凯 张雅丽 王瑞达

摘要：甘肃地处黄土高原，因其大部分黄土具有湿陷性，加之公路建设速度加快、暴雨等极端天气频发，加剧了湿陷性黄土区域新旧桥梁病害的发生。目前对于病害形式及机理未作系统调查及分析，故选取湿陷性黄土覆盖的陇西及陇东地区公路桥梁为调查对象。通过调查表面其主要病害为锥、护坡破损及下陷；墩台基础冲刷致使桩基外露、下沉；桥头搭板破损。造成主要病害的原因为黄土浸水湿陷、水流冲刷导致桥梁下部结构病害的发生，进而引起上部结构及桥面系病害的出现。

Abstract： Gansu province is located in the loess plateau， because most of the loess is collapsible， along with the speeding up highway construction and frequent rainstorm and other extreme weather， the occurrence of new and old bridge diseases in collapsible loess area is aggravated. At present， the form and mechanism of disease are not systematically investigated and analyzed. So， the collapsible loess covered highway bridge in Longxi and Longdong region is selected as the object of investigation. The investigation shows that the main diseases are cone slope and slope damage； pier foundation scour dew pile and slab breakage. The main causes of the disease are loess soaking， collapsibility and water erosion， which lead to the occurrence of structural diseases in the lower part of the bridge. Such reasons furtherly lead to the occurrence of superstructure and deck system diseases.

關键词：湿陷性黄土；公路桥梁；病害；成因分析

Key words： collapsible loess；highway bridge；disease；genetic analysis

中图分类号：U445.7+1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）03-0083-04

0 引言

甘肃坐落于黄土高原，绝大部分黄土均具有湿陷性、易冲刷及各向异性等工程特点。大多数桥梁因复杂地貌导致其须跨河流、山谷修建，桥梁下部结构多修建在边坡或河道之中[1]。近几年，由于甘肃省境内公路修建速度变快，又因暴雨等恶劣天气频繁出现，修建在黄土湿陷性区域内新旧桥梁出现例如锥、护坡破损及下陷、基础沉降等病害。投入桥梁养护维修费用因而逐年加大，而病害的进一步恶化会危及桥梁的使用寿命。

目前对于黄土湿陷性区域桥梁病害产生形式及机理未作系统调查和分析。本文依托科研项目《甘肃省湿陷性黄土地区公路修筑成套技术研究》中子课题八《湿陷性黄土地区高速路综合养护技术研究—湿陷性黄土地区桥梁养护维修技术研究》，选取甘肃省境内湿陷性黄土覆盖面积较多的陇东及陇西地区平凉、庆阳及定西市在役公路桥梁作为调查对象，进行桥梁病害调查且对机理作出分析，从而提出合理的预防措施。

1 湿陷性黄土地区在役公路桥梁病害调查

1.1 调查桥梁资料

选取甘肃定西地区G22、G312、G75、G30、G310、X327线路及定陇公路桥梁；平凉地区G22高速公路桥梁；庆阳地区G22、G211、S202线路桥梁作为甘肃湿陷性黄土役公路桥梁为调查对象。此次调查桥型主要为梁式桥，依次对桥梁上部结构、下部结构及桥面系病害类型进行调查统计[1]。

1.2 桥梁调查病害总结

在对选定区域内桥梁进行实地病害调查统计后，分别汇总三个区域内病害类型。定西地区桥梁调查结果为：K1744+350梨川小桥：梁体位移致使挡块破碎、、桥台沉降、护坡塌陷。K64+475将台河桥：锥坡破损。西平大桥：桥台护坡浆砌片石脱落，坡内填土冲刷成沟；锥坡破损下陷；沟底冲刷。K1760+100山头中桥：排水沟下填土空洞、破损，桥台前填土冲沟。K1983+720西巩驿大桥：锥坡下陷、桥头路面下沉。K43+576小桥：梁体位移、桥台台身裂缝。K56+543：桥台台身裂缝、梁体横桥向位移。

K64+389小桥：桥台竖向裂缝。K1576+170跨线桥：挡块破碎；桥台沉降。K1578+502井家口桥桥墩桩基外露。K1759+700庄子上川大桥：挡块破碎。无名小桥：桥面下陷及铺装横向裂缝，护坡坍塌、桥台下沉。陇西东浦渭河大桥：2#、3#、4#桥墩桩基外露。陇西西河桥：河床铺砌破损。

平凉地区桥梁调查结果为：K1576+728沙柳沟高架桥下行线：桥台开裂。K1566+572鸭儿沟大桥：护坡破损、桥头路面下沉。K1557+281大岔河桥：桥头路面下陷破损。K1488+263泾川一号桥：护坡破裂。K1740+500鸡儿嘴大桥：桥台地基下沉。K1560+613水桥沟大桥：护坡破损。K1559+459杨渠沟大桥：流水槽破损。

庆阳地区桥梁调查结果为：K1387+950桥：桥台沉降；桥面下沉。K1391+100桥：桥台沉降、桥面裂缝。K252+076二十里沟桥：护坡浆砌片石破坏。K260+526城西沟桥锥坡坍塌、排水槽下部脱空。K62+003吴家玲桥护坡破坏。K64+640铜川沟桥桥面纵向开裂。K207+851冯叉沟3号桥：锥坡下部悬空，浆砌片石剥落。

1.3 桥梁调查病害汇总分析

在选定区域内实地调查在役桥梁60座，其上部结构、下部结构及桥面系都具有不同程度病害，现将病害类型及所占比重汇总于表1。

分析表1表明平涼、庆阳及定西地区桥梁上部结构病害主要表现为梁体横向位移；下部结构主要病害表现为桥台沉降及裂缝，锥、护坡坍塌及开裂，墩台基础冲刷外露，调治构造物下部掏空，河床铺砌损坏。桥面系病害形式主要为桥面铺装开裂、桥面下沉，桥头搭板破损、桥头位置路面沉降。分析病害位置占调查桥梁比重表明：下部结构锥、护坡破损及下陷所占比例为23.3%，是主要病害类型；病害其次为占比10%及16.7%的桥面与桥台。

2 桥梁主要病害成因分析

2.1 下部结构主要病害成因分析

2.1.1 基础病害成因分析

①刚性扩大基础主要病害及成因。

1）基础沉降。暴雨天气，雨水不能沿排水槽或桥面排水设施及时排出时，雨水会蔓延至地基之中，又因即使经过处理的黄土地基也无法彻底将其湿陷性消除，地基因黄土湿陷而沉降，刚性扩大基础会随着地基的沉降而发生沉降。基底土体因上部结构传递的荷载而被压缩、排水固结，基础进一步出现沉降。基底面各点处沉降不一致时将导致其不均匀沉降。雨水浸入地基过程中上部荷载与黄土湿陷对扩大基础沉降产生耦合作用。

2）基础滑移和倾斜。修建于湿陷性黄土区域的桥台因其前墙填土受流水冲刷流失而导致抗滑移能力降低，基础将因无法抵抗台后填土的土压力而出现滑移和倾斜[2]。

3）基础冲刷。在雨水、河流流经时，覆于基础周边的土体会受到水流冲蚀，而长期冲蚀致使基底逐渐淘蚀，使其受力面积缩小，进而引起桥梁病害的出现。

②桩基础主要病害及成因。

为更大程度消除黄土湿陷对地基的影响，取代浅基础的桩基础逐步运用于地基处理中。拥有与浅基础相似类型的桩基础，因其四周结构与土体的差异，产生特有的病害类型。

1）桩基外露。修建在冲沟中的桩基础在雨水冲刷下会使得桩周土体流失引起露桩；修建在河道中的桩基础也会因流水长期冲刷使得桩基外露。现场调查中发现虽然部分桥梁桥墩采取桩基防护措施，但桩基防护会因过大的降雨而冲毁，使得桩基外露。桩基有效桩长会因此变短，超出容许限值后将导致承载能力减小，进而对桥梁安全运营造成危害[2]。

2）桩基挠曲。黄土湿陷使得土层出现塑性流动时，置于土层中的桩基会受到土体流动时的水平侧向力。当水平力超出限值时，会使桩基出现挠曲，并且在其余力的共同作用下可能导致断桩。

3）桩基失稳。黄土湿陷加之桩基外露长度超出一定限值，造成桩基横向抗力的不足，上部荷载作用下造成桩基失稳。

4）钢筋锈蚀、混凝土剥落。桩基因黄土流失出现外露，在外界环境作用下，桩周混凝土松散掉落；或因桩身受力过大导致开裂。失去保护层的钢筋与外界环境发生氧化反应而锈蚀、膨胀。膨胀的钢筋又会加剧桩身混凝土的剥落，形成一恶性循环。如若对此不及时处理，会减小桩基承载能力，从而影响桥梁的安全运营[3]。

5）桩基不均匀沉降。桩基会因黄土湿陷固结过程中产生的负摩阻力而下沉，同一承台下不同桩基产生的沉降量并不一致。桩基的不同步沉降会使承台及墩身倾斜，甚至断裂。

2.1.2 桥墩主要病害及成因

基础的沉降致使与基础相连的重力式桥墩出现下沉变为及墩身水平、竖向及网状裂缝。竖向裂缝会沿底部从上而下的发展，表征为下宽上窄的形式。

柱式桥墩会因基础不均匀沉降使得盖梁及墩身开裂。

2.1.3 桥台主要病害及成因

调查发现台身位移与开裂是桥台的主要病害形式。黄土湿陷引起的基础不均匀沉降与上部荷载共同作用下会使桥台出现竖向裂缝，并导致桥台前墙与侧墙交接处开裂。而桥台位移表现为基础沉降与水流冲刷引起的桥台倾斜与沉降。

2.1.4 锥坡、护坡主要病害及成因

①锥坡。

锥坡病害表现为两种形式：其一为下部土体被掏蚀后仅剩上部浆砌片石；其二为锥坡向外坍塌。其病因主要为：1）沿锥坡损坏处进入的流水冲蚀锥心土体，使得锥坡内部被掏空，出现锥坡下部脱空病害[5]；2）锥坡内土体因流水湿陷，因土压力的影响而出现毁坏。

②护坡。

护坡病害主要体现在护坡沉降，填筑护坡的黄土因雨水冲刷与浸入，随时间产生塌陷、破损。

2.1.5 河床主要病害及成因

河床在湿陷性黄土区域病害主要表现为河床铺砌损坏。水流的冲刷与掏蚀会导致河床铺砌下土体的减少，从而使得河床铺砌层脱空。随脱空范围的扩大，在无法承受水流及自身自重力时，河床铺砌会出现破坏。

2.1.6 调治构造物主要病害及成因

调治构造物主要病害为下部脱空。水流冲蚀排水沟或排水槽下部土体，随土体冲蚀范围的增加，流水槽下部出现脱空，在外力与自重的作用下，导致流水槽出现裂缝甚至坍塌、断裂。

分析得出桥梁下部结构在湿陷性黄土区域中病害及其成因可归结为图1所示。

2.2 上部结构主要病害分析

湿陷性黄土区域桥梁上部结构病害表现为主梁裂缝与下沉、主梁横向位移、横隔板断裂。这些病害的产生通常是由于基础沉降、倾斜引起主梁随之产生相应的位移或变形。倾斜量过大时使得主梁沿横桥向倾斜一侧产生位移，进而碰撞挡块，造成挡块开裂；沿纵桥向的位移导致伸缩缝出现破坏；竖向位移会导致桥面主梁下挠。三个方向的位移都使得主梁出现不同程度的损伤。分析得出桥梁上部结构在湿陷性黄土区域中病害及其成因可将其归结为图2所示。

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2.3 桥面系主要病害分析

2.3.1 桥面系

①桥面下沉。

这类病害主要出现在简支梁桥，桥台基础沉降使得上部梁体随之同步沉降，沉降量过大时会使桥台与路面相接处形成错台，过大的错台会影响行车的舒适度。

②桥面上挠。

两跨以上简支梁桥，采用扩大基础的桥台出现沉降，桩基的桥墩不产生沉降，会使桥梁两端下沉，而桥墩位置处向上位移，表征致桥面为桥墩处桥面上挠。

③桥面铺装裂缝。

基础沉降使得单跨简支梁桥一侧或两侧桥台沉降，与梁连接处桥面会因此出现横向裂缝。而对于两跨及以上简支梁桥，桥墩不沉降，桥台沉降时，会使桥墩上部桥面出现横向裂缝。当两侧桥台横桥向倾斜方向不一致时，梁体受扭使得桥面纵向位移的出现。

2.3.2 桥头路面

桥头路面碧昂还通常为路面下陷及破损。路堤下天然土体中黄土浸水湿陷或其填土受水流冲刷导致路堤的不均匀沉降，沉降梁过大的地方桥面出现不同程度的下陷及破损。

2.3.3 桥头跳车

位于湿陷性黄土区域桥梁，桥头跳车现象的出现通常为不均匀沉降引发。一方面，路基与过渡段或台背结合处出现局部沉降，引起桥头搭板两侧线路形成突变的纵向坡脚，导致搭板梁端路面的不平顺性，如图3所示。坡脚对于高速行驶的车辆，不仅会加剧跳车现象，而且会引发行车事故的出现。

另一方面，锥、护坡土体的掏蚀会使搭板下部担空。车辆荷载不变的情况下，改变受力体系的桥头搭板会因悬空位置应力变大而产生裂缝。过大的担空面积，使得搭板受力超出容许限值后断裂。搭板的断裂同样会造成桥头跳车和行车事故的出现。

分析得出桥梁上部结构在湿陷性黄土区域中病害及其成因可将其归结为图4所示。

4 结语

①甘肃具有黄土湿陷特征区域公路桥梁主要病害形式为桥梁上部结构梁体位移；下部结构锥、护坡坍塌，桥台沉降与裂缝，基础冲刷露桩，调治构造物悬空，河床铺砌破损。桥面系病害为桥面下沉及裂缝，搭板破损、桥头路面下沉。

②黄土浸水湿陷及水流冲刷是造成下部结构的主要病因，上部结构病害的出现是由于荷载与下部结构病害相互作用而引起。

参考文献：

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[6]中华人民共和国行业标准.公路桥涵养护规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

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