水位变化对跨江桥梁柱式墩、桩基础的病害影响分析

郅乃荣

山西路桥第三工程有限公司 山西忻州 034000

1 因河床下切引起的水位变化概述

跨江桥梁结构不同于陆上桥梁，尤其是下部结构，跨江桥梁下部结构桩基础及桥墩大部分处于水下，其工程外环境与陆上桥梁存在较大差别，因此，跨江桥梁下部结构也伴随着某些特殊的病害。河流河床又称为河槽，专指河流中被水流淹没的区域，水流河床受外界自然环境影响明显，且伴随河流水位涨跌处于动态变化进程中；在跨江桥梁工程中，因河床下切引发的河流水位异常、大幅变化是桥梁下部结构最常见的不良工况之一[1]。由于河床下切，导致原河床基准面下降，相应水位也大幅变化，致使实际河流水位与设计阶段存在较大差异，桥梁桩基础及桥墩截面占据了部分河流横断面面积，改变了原始河流的径流状态，增加了河流流速，水流冲刷效应被人为提升；桩基础及桥墩附近的泥沙沉积物长期被河水冲刷，加之水位下降因素影响，导致桩基础及桥墩埋深不足，桩基础及桥墩部分裸露于自然环境中，长此以往，水平面附近裸露的桩基础及桥墩逐步劣化，结构承载能力及抗变形刚度不断下降，最终将威胁到桥梁下部结构的可靠度和安全性。

2 水位变化对跨江桥梁柱式墩、桩基础的病害影响分析

在桥梁工程设计及施工实践中，为了确保上部结构的稳定可靠，必须保证下部结构桥墩及基础的刚度、强度满足设计要求，尤其是在竖向及横向荷载耦合作用下的桥墩位移值必须在设计允许范围内；但是，在涉水桥梁结构中，由于自然冲刷及人工河床开挖等外部因素的干预，导致河流河床下切，进而引发河流水平面标高下降，由于水平面变化导致桥墩及基础与水平面交界位置反复变化，桥墩和基础在自然环境下快速劣化，其强度、刚度及荷载稳定性等关键指标均不同程度下降，对整个桥梁结构的下部体系造成严重安全威胁[2]。以下就河流河床下切引起的水位变化对桥梁下部结构柱式墩的病害影响进行分类分析，具体如下：

2.1 桥墩混凝土结构开裂病害

以公路桥梁中常见的柱式墩组合结构为例，在涉水桥梁中，柱式墩因河床下切引起的病害大部分集中在桩基础上，但桥墩混凝土开裂是柱式墩最常见、最高发的病害之一。因河床下切，导致水平面标高变化显著，在桥墩系梁以上附近会出现若干沿着桥墩截面环向分布的圆弧裂缝，通过分析大量涉水桥梁工程案例发现，环向开裂一般多发于背向桥台一侧，属典型的荷载开裂；主要原因是因河床下切，河水流速及冲刷形式被迫改变，进而影响桥墩原有的受力平衡，桥墩内部产生较大的内应力，一旦应力超过混凝土材料抗拉强度，必然造成环向拉裂，最终影响桥墩混凝土结构的刚度和完整性。

2.2 桩基础混凝土持续劣化病害

基础是河床下切引发下部结构病害的重灾区，由于河床下切导致河水水位下降，原浸没于水中的桩顶完全暴露于自然环境中，桩基础混凝土由于所处自然环境发生突变，在长期水流冲刷影响下，导致桩顶混凝土劣化进程加速，混凝土耐久性持续下降。桩基础混凝土能够保护桩基础钢筋骨架，以确保桩基础承载能力满足上部结构及桥墩要求，一旦保护层混凝土劣化，势必会削弱其对钢筋骨架的保护能力，严重情况下将造成桩顶钢筋裸露，承台有效截面减小，严重破坏桩基础的抗压及抗弯承载性能；此外，原施工过程中出现的钢筋骨架定位不精准、桩基础局部脱空等病害也将因河床下切引起的水平面下降问题而被放大，由于钢筋骨架定位偏差，桩基顶部附近存在脱空病害，在冲刷加剧作用影响下，对应位置混凝土病害进程明显更快，劣化程度更高，对应位置钢筋的锈蚀程度也越严重。

2.3 桩基础钢筋骨架锈蚀灾变

基础结构钢筋锈蚀灾变是最终影响下部结构承载能力劣化的根源和关键，也是因河床下切引发的下部结构病害中最严重的一种。钢筋骨架由于失去混凝土保护层的保护，导致钢筋骨架被暴露于自然环境中，部分处于保护层内的钢筋因氯离子渗透作用，导致钢筋不同程度锈蚀，锈蚀后体积膨胀，在锈胀应力的作用下，导致混凝土保护层开裂；钢筋锈蚀一方面破坏了钢筋的有效截面积，直接影响了钢筋的实际应力大小，此外，因局部不均匀锈蚀造成的应力集中问题很容易导致钢筋脆断，造成严重恶性事故；另一方面，钢筋锈蚀后，钢筋与混凝土之间的握裹力下降，二者协同受力及变形的能力被削弱[3]。

3 针对冲刷病害的常用加固技术概述

对于采用桩基础的涉水桥梁结构，不论是摩擦桩还是端承桩，河床下切均会引起桩基础承载能力和刚度下降，对于存在因河床下切引起的水位变化而导致的下部结构病害情况，必须采取必要的加固补强措施，以满足桥梁后续的服役要求。本文简要介绍微型桩在加固中的应用，微型桩加固技术原理与主梁增大截面法原理类似，通过强化截面刚度和强度，从而起到加固补强的作用，微型桩桩径小于普通桩基础，且受力结构非局限于钢筋骨架，可用钢管或其它型钢代替；在原柱式墩周围浇筑外包混凝土，以扩大原下部结构有效截面积，待混凝土强度形成后，在混凝土上钻孔增设微型桩，微型桩桩底需钻入基岩内，且入岩深度不小于1m，通常情况下，微型桩采用等间距布置，桩间间距根据现场施工情况确定。相较于其它加固技术，微型桩加固技术现场施工效率更高、所需的作业空间更小、施工技术难度较低；此外，微型桩结构作用于新增加的外包混凝土结构中，不会过渡扰动原下部结构，故对地基施加的附加应力值较低。当前，微型桩加固处治技术已经广泛应用在因水位变化引起的桩柱病害处治领域中，并取得了良好的工程反馈。

4 结语

由于自然冲刷和人工开挖等因素影响，河床下切问题尤为普遍，因河床下切引起的水位变化已经给桥梁下部结构造成了巨大的安全威胁；本文在明确了因河床下切导致的水位变化对跨江桥梁柱式墩及桩基础病害影响程度及类型的基础上，重点对微型桩加固技术进行了阐述，从而深化了对病害控制和加固的认识。