某桥墩偏位分析及处理措施探讨

谢均胜

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司 广州市 510507)

目前，我国中小跨径简支结构桥梁主要以排架墩为主，排架墩结构轻巧、造价经济、施工简便，但其水平抗推刚度弱，易在外力作用下发生偏位，影响结构的正常使用。

影响结构的外力从性质区分有地震力、土压力、撞击力等，其中以土压力引起的偏位情况最为常见。土压力产生的主要原因有施工阶段施工工序选择不当，成桥后桥侧沟槽开挖、桥下堆载等，以墩顶发生偏位的某桥梁工程实例为依托，探讨桥墩偏位的分析及处理措施。

1 工程概况

某桥梁上跨涌河，桥跨组合为(2×16+22.5+25+22.5+1×20+1×16)m，上部结构采用简支预应力混凝土空心板，下部结构采用钢筋混凝土双柱墩。按汽车—20、挂车—100荷载等级进行设计，其中右幅(旧桥)于1998年建成，左幅(新桥)于2001年建成。

管养部门进行日常巡查时发现右幅(旧桥)1#墩盖梁与上部空心板之间发生相对约15cm的异常位移，如图1所示。桥下通道局部出现开裂，桥外地面及桥台护坡出现下沉等问题。

图1 桥梁墩顶偏位现场照片

1#墩紧挨河堤，外设河堤挡墙，河床临空面高约6m。桥墩右侧约6m处为在建地铁盾构施工区间，地铁区间与桥头引道斜交，桥墩发现偏位前半个月盾构施工经过桥位处。第1跨桥底处约有2m高的建筑材料堆载。

2 墩顶偏位成因分析

发现桥墩偏位后，养护管理部门随即封闭桥上交通，清理桥下的建筑材料堆载，委托应急检测单位对桥梁偏位进行细部测量及安全监控。

经检测，1#墩偏位沿河道方向，右幅桥外侧墩顶偏位166mm，内侧墩顶偏位69mm。左幅内侧墩顶偏位58mm，外侧墩顶偏位77mm。

墩柱无明显的裂缝，0#台护坡整体下沉13cm，第1孔桥下路面出现2条横向开裂，1条纵向裂缝，1处下沉。截止至7月3日，桥墩偏位已基本稳定，最大偏位较原应急检测无大的变化。

根据实测水下地形，墩位处河床较原设计阶段存在明显的冲刷下切的情况，墩位处原地面与河床高差约6m，与河床最低位置处高差约11m。

结合桥墩偏位方向、轨道交通盾构施工及桥下堆载的情况，经专家研判，桥墩偏位是由于盾构施工超方、地质压浆及桥下堆载等综合作用下产生地基滑移引起的。

3 受力分析

为摸清1#墩在发生墩顶偏位情况下桩基及墩柱的受力状况，采用有限元软件Midas Civil建立1#墩的有限元模型，利用墩顶位移反推在恒载及桥下堆载作用下产生墩顶位移的主动土压力作用深度，进而求出桩基及墩柱的实际受力状态。

1#墩有限元模型如图2所示，单元数为87个。按实际情况模拟墩柱和桩长，桩周在主动土压力作用区域外采用“m”法以土弹簧模拟桩土约束作用，桩底进行竖向约束[1-2]。

图2 1#墩计算模型

通过试算，旧桥1#墩外侧桩基土压力作用深度为11m，内侧桩基土压力作用深度为5m的情况下，墩顶发生的位移与实际情况较为一致。新桥在内侧桩基扰动深度为6m，外侧桩基发生7m扰动的情况下，墩顶位移与实测位移较为一致。计算结果如图3到图6所示。实测偏位与计算位移对比见表1所示。

图6 新桥弯矩(单位：kN·m)

表1 实测偏位与计算位移对比

按上述假定计算的位移结果与实际发生的偏位情况较为一致，可认为墩柱实际所受外力与计算采用土压力作用力效果基本一致，假定该土压力即为墩柱发生位移受到的外力。

根据桩基配筋情况进行承载能力验算，计算结果显示，在上述变形条件下旧桥和新桥最不利桩基产生的内力分别为5440kN·m(桩头以下12m)和2779kN·m(桩头以下8m)，均超出桩基按竣工图配筋计算的弹性受力状态，桩基已进入塑性[3]。

图3 旧桥位移 (单位：mm)

图4 旧桥弯矩 (单位：kN·m)

图5 新桥位移 (单位：mm)

因新旧桥发生偏位后桩基内力大于其极限承载能力，利用Ucfyber截面非线性分析软件对桩控制截面进行纤维单元非线性分析，采用材料标准强度得到最大弯矩处塑性铰截面的极限抗弯承载能力。最不利截面验算如图7到图10所示(新旧桥桩基最大弯矩发生位置处桩基配筋不同，两者分开计算)。

图7 旧桥桩基纤维模型

图8 旧桥桩基截面弯矩-曲率曲线

图9 新桥桩基纤维模型

计算结果显示，旧桥桩基发生最大弯矩处的等效屈服弯矩为1663kN·m，新桥桩基发生最大弯矩处的屈服弯矩为2112kN·m，均小于发生现状位移的桩基内力，说明新旧桥桩基已发生屈服破坏。

为摸清墩顶在发生多大位移的情况下桩基可以维持弹性受力状态，假定同一墩柱下的两根桩受到相同的土压力作用，计算结果见表2所示。

表2 土压力深度及墩顶位移

根据计算结果，当土压力作用深度为6m，墩顶位移为49mm的情况下，桩基即发生塑性破坏，这个计算结果也从侧向证明墩柱桩基已发送了破坏，不能正常承荷。

4 维修加固方案

(1)桥梁维修加固

上述评估分析显示新旧桥1#墩桩基已发生塑性破坏，无法再正常承荷，需对其进行加固。目前对深层受损桩基加固主要有旁侧加桩与既有受损桩基共同承荷及对受损桩基拆除重建两种处理方式。

本桥桥下净空不足4m，且紧挨地铁隧道区间，旁侧加桩的处理方案施工条件受限，经与各部门协商讨论后最终确定采用拆除重建受损桥跨的处理方案。

该桥为区域重要过江出行通道，为缓解交通通行压力，根据两幅桥的损伤情况，拟分阶段进行拆除重建。第一阶段先对损伤较严重的右幅桥进行拆除重建，左幅桥临时加固后保障单幅双向应急通行，待右幅桥重建完成后转入第二阶段对左幅桥进行拆除重建。

本桥拆除重建的难点在于上部结构的拆除和右幅新建墩台位置的选择。右幅桥外侧6m处为地铁盾构区间，隧道顶覆盖层较浅，根据地铁安评单位的验算，采用汽车吊在隧道顶站位进行吊装将影响隧道区间的安全。利用病害较轻的左幅桥进行吊运不但影响其通行效率，且有加重病害的风险。在综合各方面影响因素下，最终确定通过设立临时支墩利用架桥机进行拆除的处理方案。

(2)路基维修加固

鉴于墩柱病害是因路基整体侧向滑移引起的，为防止桥墩重建后再次因外力作用引起地基的滑移，设计中采用压力注浆进行地基加固处理。注浆范围与地铁隧道的安全距离按不小于5m净距控制，竖向距离按注浆底标高与轨道结构顶面不小于1m控制。沿深度方向上,钻孔要求穿透软土层进入硬土层中3m左右。充填注浆的水泥浆水灰比取0.45～0.55，劈裂注浆的水灰比取0.6～0.8，最大注浆压力≤0.8MPa。

(3)施工流程

1#墩临时支撑搭设→拆除右幅第1～2跨相关桥面系→解除空心板铰缝连接→对称吊装移除第1～2孔空心板→拆除0#桥台、1#桥墩及2#盖梁凸起块→桥下河堤加固处理、重建0#桥台、1#桥墩、同时对2#墩盖梁进行改造→新建第1～2孔的空心板架设→台后回填、搭板、桥面系施工→开放交通转入第二阶段施工，按第一阶段顺序完成左幅桥的施工。

5 结论

墩柱偏位发生的原因是多方面的，既有施工阶段原因也有运营维护阶段的原因。对于施工阶段要精心组织施工流程，沟槽开挖、软基处理、墩侧填土等应在桩基施工前。运营维护阶段则应加强巡查，严禁桥下堆载、桥侧开挖沟渠及堆载，复合地基处理要离桥墩不小于5m，对于挤土桩、高压旋喷桩等处理方式还应在桥墩前后埋设测斜管进行测斜观察，一旦发现异常应及时停止作业并组织专家进行研究处理。