高压旋喷桩-铅丝石笼组合法在某跨河桥梁桩基加固中的应用

曹书芹，赵娜 （河北省交通规划设计院，河北 石家庄 050011）

0 前言

在高速公路跨河桥梁中，桩基础被广泛应用。桩基冲刷是桥梁病害主要形式之一，桩基冲刷严重时可危害桥墩安全，造成人身和经济损失。2016年7月19日邢台地区突降暴雨，某跨河大桥遭遇百年一遇洪水，洪水冲刷过后，河道明显下切，造成部分桥墩基桩外露，且部分露桩出现钢筋外露锈蚀。经过现场调查，分析了该大桥浅基病害的原因，并对加固方案进行比选，提出了针对性的加固措施。

1 工程背景

该高速公路跨河大桥[1]位于河北省邢台市，左右分幅，其中左桥建成于1996年，桥梁总长845.7m，桥宽11m+2×0.5m人行道板。右桥建成于1976年，桥梁总长664m，桥宽11m+2×1m人行道板。下部采用桩柱式墩台，设计标准为汽车-20级，挂车-100级。河床经多年冲刷，下切严重。现有地层为表层中细砂，厚约10m，以下为厚层卵石。桥下现净空12m～14m。

洪水冲刷过后，河道显著下切，造成部分桥墩基桩外露，其出露长度最长达到6.5m，且部分露桩出现钢筋外露锈蚀。现状局部冲刷线标高约为58.1m，已经超过原设计局部冲刷线55.7m，若河床继续下切将导致基桩埋置深度不足，造成基桩承载力不满足要求，形成典型的浅基桥墩病害。根据文献资料记载，浅基桥墩病害对桥梁安全具有极大影响，历史上造成了多起桥梁水毁事故。另外，该大桥交通繁忙，超载超限车辆较多，对大桥的基桩稳定性提出了较高的要求。因此，为保证行车安全，需采取处置措施，以防止河床继续下切洪水对桥墩基桩的冲刷，并确保桥墩基桩承载能力的发挥。

图1 某跨河大桥冲刷现状

2 病害成因分析

该大桥浅基病害形成的直接原因是冲刷加剧，引起河床下切，导致基础埋深不足。冲刷加剧的成因较多，本工程中主要涉及两个方面。

①遭遇特大洪水，汛期河水暴涨、桥下过水量大，导致局部冲刷严重。

②由于该区域采砂活动频繁，打破了本河段内水流挟砂量与上游来砂量之间的基本平衡，导致上游来砂量不足以弥补本河段泥沙的损失，进而使得河床的自然坡度和水流状态发生改变，引起局部流速较大，进一步加剧泥沙的损失，即出现所谓的溯源性冲刷，造成了河床下切。

由于造成河床冲刷下切的两大原因难以消除，故未来其河床下切将难以避免。为保证该桥的长期稳定性，有必要采取措施对其基桩进行维修加固。

3 基础加固方案研究

根据现场调查的情况，经过分析计算讨论，对于该大桥的病害治理应是对桩基冲刷进行预防，并保证河床在继续下切后桩基承载力的正常发挥。对桩基冲刷治理常用的方案有以下四种。

3.1 高压旋喷桩加固法

旋喷桩加固是在既有浅基础下采用旋喷钻机，将加固浆液注入预定的区域内，从而形成复合地基，改善基础承载力。旋喷桩的主要成分是水泥、土和水，其加固机理在于途中掺入了一定量的水泥，使土体变成一种土和水泥结合的凝固体，能极大增强土体的抗冲切力[2]。旋喷桩可起到闭水和防冲刷的作用，即使在河道继续下切的情况，仍能保护基桩不受洪水冲刷，并提供桩侧摩阻力。

3.2 铅丝石笼防护法

为防止桥墩周围河床冲刷加剧，在每排桥墩周围设置铅丝笼防护台，铅丝笼周边设置沉桩，以稳定铅丝笼。

铅丝石笼是在用铅丝编制结成网格的笼状体内填块石，网格的大小以不漏填充的石块为限。此次设计铅丝笼采用φ8钢筋做框架，用12号铅丝编制成网格，并在框架结点处上下左右用铅丝连接起来，以增加石笼的整体性。

3.3 高压旋喷桩-铅丝石笼组合法

先按照方案一的方法进行旋喷桩施工，再按照方案二的方法进行铅丝石笼防护。采用这种组合法既能防止基础冲刷，又能增加桩基的稳定性和承载力。

3.4 混凝土模袋防护法

在桥下河面浇筑混凝土模袋，根据计算，厚度采用20cm，灌充混凝土为C20。为了保持模袋的稳定，在上下游模袋的边缘分别挖出深2m的沟槽，将模袋混凝土埋入，上填块石护脚。为保证模袋的整体性，采用铰链型模袋。

4 加固方案比选

由上表方案对比可知，方案三为最优方案，故建议采用旋喷桩-铅丝石笼防护方案作为本工程的加固方案。

方案比较

5 旋喷桩-铅丝石笼防护方案设计

5.1 旋喷桩加固参数确定

为达到防冲刷和河道继续下切后基桩承载能力仍能正常发挥的目的，加固圈厚度需满足一定的要求。加固圈厚度的确定方法，取其计算结果作为基本厚度。

由于河床最大冲刷线难以准确预测与计算，因此假设河床下切速度与前40年相当，均为 6.5m/40年=0.1625m/年，则剩余60年使用寿命中河床最大冲刷深度0.1625m/年×60年=9.75m≈10m。

假设旋喷桩固化前后对基桩的侧压力保持不变。则从保证河床下切后桩侧压力不变的角度可以计算加固圈的最小厚度。具体计算过程如下。

将加固圈视为薄壁圆筒，则其计算简图如图2所示。其中P为作用在基桩上的侧向土压力，F为加固圈环向抗拉强度。

图2 薄壁圆筒力学平衡计算简图

根据力的平衡，可知：

上式中，t为加固圈厚度，D为桩径（D=1.2m[1]），P桩侧土压力，F为旋喷桩加固圈的抗拉强度。

P取最大侧压力处的应力平衡状态作为控制工况，则：

抗拉强度取无侧限抗压强度的1/20，旋喷桩无侧限抗压强度一般为2～3MPa，取旋喷桩抗拉强度为F=100kPa。

依据式（1），加固圈厚度：

加固圈的最小厚度为1.2m，故需要布置600mm桩径的旋喷桩两圈。

另外，考虑到旋喷桩加固圈需要承受上游冲刷，在加固区上下游方向各布一排“防护帽”，在系梁下方布置两排旋喷桩防止洪水对系梁下部河床的局部冲刷。从大桥剩余生命周期河床最大可能下切深度和基桩承载力正常发挥两方面考虑，将加固圈竖直方向上深度定为10m。构造详见加固设计图3所示。

5.2 加固方案

通过以上计算，最终确定加固方案如下：采用旋喷桩对桩基加固，保持并提高其承载力，并在旋喷桩周围布设石笼提高防冲刷撞击能力。

5.2.1 旋喷桩

桩径为 60cm，桩间距 0.4m，桩长10m，水泥采用32.5R及以上矿渣硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，水灰比宜为0.8～1.2，桩体水泥掺入量为170kg/m。

桩体同配比室内试块28d无侧限抗压强度不低于3MPa。

5.2.2 石笼

石笼采用铅丝石笼（宜可采用格宾石笼），网格间距10cm。石笼底宽2.0m，顶宽1.0m，分两级铺设，高3.0m，埋深2.5m，顶面高出河床0.5m，具体布置详见加固设计图3所示。

图3 加固设计图

6 加固施工要点及注意事项

6.1 高压旋喷桩[3]

①施工前应根据现场环境和地下埋设物的位置等情况，复核高压喷射注浆的设计孔位。

②高压喷射注浆的施工参数应根据土质条件、加固要求通过试验或根据工程经验确定，并在施工中严格加以控制。高压水的压力应大于20MPa。

③水泥浆液的水灰比宜为0.8～1.2。

④高压喷射注浆的施工工序为机具就位、贯入喷射管、喷射注浆、拔管和冲洗等。

⑤喷射孔到达标高时，即可喷射注浆。在喷射注浆参数达到规定值后，随即分别按旋喷、定喷或摆喷的工艺要求，提升喷射管，由下而上喷射注浆。喷射管分段提升的搭接长度不得小于100mm。

⑥对需要局部扩大加固范围或提高强度的部位，可采用复喷措施。

⑦在高压喷射注浆过程中出现压力骤然下降、上升或冒浆异常时，应查明原因，并及时采取措施。

⑧高压喷射注浆完毕，应迅速拔出喷射管。为防止浆液凝固收缩影响桩顶高程，必要时可在原孔位采用冒浆回灌或第二次注浆等措施。

⑨施工中应做好泥浆处理，及时将泥浆运出或在现场短期堆放后运出。

6.2 铅丝石笼

①挖槽时，要随时注意土质情况，必要时配以水泵排水。

②预制的铅丝网片要用钢筋做骨架，严格控制网眼大小。

③块石装笼时注意保护铅丝笼网片，石块从下而上由小到大，笼口必须绑扎结实。

④分层修筑，并在框架结点处，上下左右用铅丝连接起来，以增加石笼的整体性。

6.3 安全措施

为保证加固工程的顺利实施，需采取以下安全保障措施。

①对桥墩应力应变进行监测。

②对桥面控制点水平位移与沉降进行监测，如有异常，立即停止施工，查找原因。

③对旋喷桩施工工序专门研究，制定合理的施工方案，以将旋喷桩施工过程对基桩稳定性的影响降到最低。

7 结论

①邢台地区某高速公路跨河桥梁在遭遇百年一遇洪水冲刷之后，造成桥墩基桩外漏，其出露长度最长达到6.5m，且部分露桩出现钢筋外露锈蚀。

②现状局部冲刷线已经超过原设计局部冲刷线，若河床继续下切将导致基桩埋置深度不足，造成基桩承载力不满足要求，从而形成典型的浅基桥墩病害。

③造成河床冲刷下切的两大原因：一是遭遇特大洪水导致局部冲刷严重；二是采砂活动频繁，导致上游来砂量不足以弥补本河段泥沙的损失，进而使得河床的自然坡度和水流状态发生改变，引起局部流速较大，进一步加剧泥沙的损失，即出现所谓的溯源性冲刷，造成了河床下切。为保证该桥的长期稳定性，有必要采取措施对其基桩进行维修加固。

④经过分析计算并通过方案比选，最终确定采用旋喷桩-铅丝石笼防护方案作为本工程的加固方案。并对该方案进行详细的计算设计，确定了适合该桥梁的加固方案参数。