公路桥梁桩基础病害成因及处治方案

栗洪星

（保定市交通运输局公路事业发展中心，河北保定 071000）

0 引言

近些年，公路桥梁垮塌事件频繁发生，尤其是在役的旧桥，由于设计载荷等级较低、使用年限的增加，构件老化、扩大基础埋深较浅、桩基础桩长较短等原因，在重载、超载车辆、洪水等情况下极易发生垮塌。其中，基础冲刷作为造成运营阶段公路桥梁垮塌的主要病害之一，表现为突发性和毁灭性，严重威胁着人民生命财产安全[1]。

相关学者也对此展开了统计和研究，如王枫等[2]对国内外2017—2019 年桥梁坍塌事故发生的时间、地点、伤亡人数及原因进行了统计分析。结果发现，桥梁运营期事故主要原因是运营养护不当及超载。国外新建桥梁的事故数少于运营阶段桥梁事故数，桥梁运营期事故大部分与养护不当相关；秦泗凤[3]收集了2000—2019 年中国151 座桥梁水毁事故情况，首先阐述中国5 个典型桥梁水毁案例，之后分析了151 座水毁桥梁的地理分布特征、桥龄分布特征、桥梁类型分布特征、时间分布特征。结果发现，桥梁水毁事故的主要原因包括超预期洪水、旧桥、过度采砂等，既有自然因素也有人为因素。

本文以某工程实例为背景，针对桥梁桩基础冲刷严重、桩基础埋深较浅病害，结合桥梁周边情况，分析桥梁基础受力，提出了加固改造方案并进行比选，给出最终推荐方案，已通过专家评审。

1 工程背景

1.1 工程概况

某公路桥梁全长220.6 m，桥面全宽17.5 m。该桥上部结构为现浇钢筋混凝土简支T 梁，跨径组合为13×16 m，支座为橡胶支座，下部结构为桩柱式桥墩，单排3 根桩基础。设计载荷等级汽车-20 级，挂车-100，设计洪水频率为百年一遇。该桥位河床为人工改造形成，上游建有琴江水电站，河道水位变化受水电站排水影响。

根据勘察钻孔揭示的地质资料，场地内钻孔揭露深度内的岩土层为第1 层素填土，该层不考虑其地基承载力。第二层强风化泥质粉砂岩，为极软岩，地基容许承载力［fa］=500 kPa，桩侧摩阻力标准值qik=100 kPa。第三层为中风化泥质粉砂岩，为软岩，地基容许承载力［fa］=1500 kPa，岩石抗压强度fr=9.0 MPa，桩侧摩阻力标准值qik=150 kPa。

根据原桥竣工图纸，该桥桩基础直径1.2 m，桩长5～7 m，支撑于中风化岩层，按嵌岩桩设计。2018 年12 月，该桥两侧进行了拓宽设计，拓宽幅桥梁为2×16 m，预应力空心板+3×32 m，预应力简支小箱梁+2×32 m，预应力简支小箱梁+1×18 m，预应力简支小箱梁。下部结构采用柱式墩、桩基础，桩基础长度25 m，嵌岩桩设计。

1.2 基础病害情况及成因分析

2020 年对该桥进行了检测，根据检测情况，该桥下部结构主要病害为河床铺砌存在大面积破损，外露桩基础冲刷、露骨现象严重，其中11 号、12 号桩基础埋深仅0.9 m，10-1 号桩基础埋深仅1.14 m。结合桥梁河床及周边实际情况，分析主要病害成因为：①在水流的不断冲刷下，河床铺砌出现破损；②铺砌破损后，水流冲刷桩基础，由于部分桩基础保护层厚度不足或施工质量欠佳，出现露骨；③由于原桩基础桩长较短，河床冲刷后，导致桩基础长度埋深较小，严重威胁桥梁安全。

2 基础入岩深度现状分析

根据JTG 3363—2019《公路桥涵地基与基础设计规范》中对于桩嵌入基岩中有效深度的计算公式，验算该桥水中1～12 号桩基础嵌入基岩中（不计强风化层、全风化层及局部冲刷线以上基岩）的有效深度hr，对比该桥桩基础实际如中风化岩层的深度h：

根据式（1）进行验算，结果显示该桥梁9～12 号桩基础有效入岩深度不满足规范要求。

3 处治方案研究

3.1 桥梁情况分析

（1）该桥关键病害为：旧桥桩基础冲刷后，桩基础埋深较小，其中11 号、12 号桩基础埋深仅0.9 m，10-1 号桩基础埋深仅1.14 m，严重威胁桥梁安全，需立即进行改造处治。

（2）针对桩基础埋深较浅病害，如采用维修加固方案，最直接有效的方式为新增桩基础，可采用原桩基础间新增桩基础或前后新增桩基础变为多排桩基础等方案，但均需新增承台与墩柱连接[4]。新增承台时，如采用在现状河床面以上新建，考虑到新增承台尺寸顺桥向宽度及竖向高度均较大，则将影响过水断面，故无加固空间；如为不影响过水断面，将承台落于河床面以下，则需开挖河床，由于现状桩基础埋深较浅，无法开挖河床，不可行。

（3）根据拓宽幅设计过程，在设计过程中要求新建桥墩不得侵占排水渠，为此将桥跨进行了调整，调整后跨越水渠，不影响水渠现状过水断面，故旧桥加固改造需考虑不影响现状水渠排水。

（4）对旧桥进行新增桩基础加固。水渠范围内的10～12 号墩，由于既无法将新增承台置于河床面以上（影响水渠排水），也无法开挖（原桩基础埋深过浅），则此方案不可行，10～12 号墩难以通过维修加固保证结构受力需求。

（5）该桥现况旧桥与拓宽幅间距15 cm，且有多道防撞护栏，结合两侧道路情况，行车安全性、美观性及舒适性较差。

3.2 处治方案

针对该桥桩基础病害情况，提出以下两种加固改造方案。

3.2.1 旧桥新增桩基础加固

为充分利用现有桥梁，节约造价，减小桥梁改造施工对交通的影响，该次考虑对旧桥进行加固改造，对水中的2～9 号基础采用新建承台新增桩基础加固，由于10～12 号墩不具备维修加固实施条件，故提出对10～13 跨桥梁进行改建，改建后桥跨与拓宽幅相适应，将4 跨改造为3 跨（原11、12 跨合并为一跨），一跨跨越排水沟渠，对其他部分桥梁进行维修加固。

3.2.2 全桥拆除重建

考虑到水渠内10～12 号墩难以通过维修加固方案达到承载力要求，需对部分桥跨进行改建，彻底解决桥梁病害，并提高旧桥设计载荷等级，与拓宽幅相适应，同时减小桥梁对电站水渠排水的影响，该次提出对旧桥进行拆除重建方案。拆除后，与两侧拓宽幅桥梁跨径统一，上部结构形式统一，变形协调，拼接设计简单，下部结构墩台基础采用单排3 根钻孔灌注桩基础，嵌岩桩设计。

3.2.3 方案比选

对比两种方案，旧桥维修加固及全部拆除重建均能改善桥梁受力状况，提高结构的承载能力安全储备。拆除重做旧桥，可彻底解决桥梁病害，同时提高设计载荷等级与拓宽幅协调一致，且可实现新旧桥桥面系的连接，行车舒适性好。维修加固方案虽造价相对较低，但也需拆除部分桥跨，施工较复杂，且新增承台影响现状断面，同时不能提高设计载荷等级，拓宽幅利用性较差，经济性较差。通过综合分析，结合专家评审意见，一致同意对该桥旧桥进行拆除重建。

4 施工要点及注意事项

4.1 旧桥拆除

考虑到该桥基础埋深较深，旧桥拆除过程中有一定的扰动，为保证拆桥安全，拆桥过程中需持续监测梁体及墩台基础变形，如有异常立即停止施工[5-6]。

4.2 新建桩基础

考虑到该桥桥宽较大，为方便盖梁施工，同时梁高尽量与两侧拓宽幅统一，该次仍采用3 根桩基础，普通钢筋混凝土盖梁，新建桩基础与旧桥桩基础桩位有重合，施工难度相对较大，且外侧桩基础距离两侧拓宽幅桩基础距离较近，为保证施工及拓宽幅桥梁安全，施工过程中应采用扰动较小的方式，并加强拓宽幅上、下部结构的观测[7]。

4.3 钢筋笼安装

钢筋笼安设时，应严格控制垂直度，确保满足规范及设计要求；科学设置保护层垫块，严格控制垫块间距；准确确定吊筋长度，钢筋笼安装时仔细核对。对于钢筋笼上浮的防治，首先需要严格按照配合比进行混凝土拌和，坍落度控制在（200±20）mm，确保具有良好的和易性；其次，严格控制混凝土浇筑速率，保证导管埋置深度处于2～6 m。

4.4 混凝土灌注

初次灌注时，需全面结合导管埋置深度、泥浆质量等相关因素。首盘混凝土下放时需满足导管埋置深度1 m。导管内放置浮球，料斗下料后混凝土进入导管，浮球将混凝土与泥浆隔绝，混凝土推着浮球向下将其从导管口挤出。混凝土冲出导管后将孔底钻渣抬升，导管口埋入混凝土内。正常灌注时导管的实际埋深2～3 节为宜。初次灌注的混凝土方量较大时，会在一定程度上造成钢筋笼出现上浮现象，需采取有效措施防止钢筋笼移位。

4.5 成孔过程中塌孔、缩径、偏斜的防治

（1）塌孔的防治：需要根据规范要求科学制备泥浆，在杂填土、软基层等地质条件较差区域，应科学调整钻孔速度；地下水位较高时，应适当加大水头[8]。

（2）缩径的防治：需要根据钻孔直径及地质条件科学选择钻头，确保钻孔质量满足要求；实时检查钻头情况，发现损坏及时更换；在容易发生缩孔位置，应合理调整泥浆黏稠度。

（3）桩孔偏斜防治：钻机准确就位，并保证其垂直度、稳定性满足要求，钻进时实时检测并进行校正；严格检查钻头、钻杆性能，严禁使用缺陷钻具；土质硬度较大部位，应合理控制钻进速率，避免强行钻进；针对出现倾斜的钻孔，应通过匀速、缓慢、上下重复扫孔，实施纠偏处理。

5 结束语

本文通过对冲刷后桩基础埋深较浅、存在严重安全隐患的梁桥基础加固改造方案进行分析，提出适宜该桥的改造方案。现阶段桥梁正在改造施工，已完成部分钻孔灌注桩基础，施工进展顺利。目前我国仍存在大量的老旧桥梁，基础冲刷问题仍较为普遍，针对不同的基础类型及基础冲刷程度，应充分考虑施工复杂程度、经济性、合理性和美观性等各个层面，综合分析，采取最优方案，解决基础安全隐患，保证桥梁结构安全。