受地面堆載影響發(fā)生偏移鐵路橋墩的修復(fù)設(shè)計

李前名,鄒向農(nóng)

(中鐵二院武漢勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,武漢 430071)

1 工程概況

某貨運聯(lián)絡(luò)線設(shè)計最高行車速度120 km/h,國鐵I級,單線鐵路。其中1座特大橋全長2 913 m,平面位于R=800 m的圓曲線上,孔跨布置為40-32 m簡支梁+(28+56+28) m連續(xù)梁+45-32 m簡支梁。該橋橋址處原為湖區(qū),地表下分布有約10 m厚的淤泥層,后經(jīng)人工改造為灘地,周邊開發(fā)有居民住宅區(qū)。25號～31號墩范圍內(nèi),橋梁上部結(jié)構(gòu)為32 m簡支T梁,下部為圓端形實心墩,承臺縱、橫橋向?qū)? m×6.8 m,每個墩共5根φ1.0 m鉆孔樁,梅花形布置,樁長32～34 m。因地方基礎(chǔ)建設(shè)違規(guī)施工,在25號～31號墩處堆積大量棄土,造成該范圍內(nèi)多個橋墩向堆土外側(cè)發(fā)生偏移,從而引發(fā)上部梁體錯位、鋼軌嚴(yán)重變形。鐵路部門及時發(fā)現(xiàn)險情并果斷處理,避免了安全事故的發(fā)生。

現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn),地方單位堆放棄土寬約80 m,長約195 m,平均高約6 m,最大高度8 m,總計約9.3萬m3,27號～29號墩附近地面隆起并產(chǎn)生多條裂縫,棄土側(cè)裂縫最寬達(dá)60 cm,裂縫錯臺最高達(dá)50 cm。鐵路部門組織專家現(xiàn)場論證會一致認(rèn)為：由于橋墩承臺下存在深厚的淤泥質(zhì)土,在大面積堆載作用下,橋墩附近的軟土產(chǎn)生了深層滑移失穩(wěn),從而導(dǎo)致橋墩的偏移及沉降,同時由于鋼軌、護(hù)輪軌及梁的約束作用,造成墩身向曲線內(nèi)側(cè)(堆土側(cè))傾斜；橋墩一側(cè)大量堆土是造成橋墩偏移的原因。按照專家組意見,相關(guān)單位第一時間清除了橋墩左側(cè)30 m范圍的棄土。

設(shè)計部門與施工單位均獨立對該范圍內(nèi)橋墩的偏移情況進(jìn)行了測量,數(shù)據(jù)基本吻合。偏移最大的橋墩為處于堆土中心位置的28號、29號墩,其承臺水平位移量分別達(dá)到1.67 m和0.45 m；其余25號～31號墩偏移量為2～10 cm。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料及現(xiàn)場測量數(shù)據(jù),對相關(guān)橋墩進(jìn)行了結(jié)構(gòu)安全性評估,并針對性的提出了修復(fù)或加固方案。

2 橋墩周邊土體滑動面的分析計算

滑裂面的計算是指導(dǎo)橋墩樁基結(jié)構(gòu)安全性評估及地基處理措施的重要前提。如圖1所示,按基坑放坡開挖模式,計算基底土體的滑裂面位置。由于現(xiàn)場堆土已清理,計算采用的堆土形式及高度為工務(wù)部門在第一現(xiàn)場測量的28號墩的堆載數(shù)據(jù)。采用專業(yè)基坑計算軟件“理正深基坑6.0”對地面以下12 m深度范圍內(nèi)的滑動面進(jìn)行搜索計算。計算假定滑動安全系數(shù)=1.0的滑裂面為臨界滑裂面,即滑裂面以上土體受堆載影響發(fā)生滑動,從而失去抗力作用。

圖1 第一現(xiàn)場測量堆載示意(單位：cm)

表1中素填土(堆載土)的C、Φ值根據(jù)經(jīng)驗取值,其余土層按照地質(zhì)勘察報告取值。

表1 計算土體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)表2計算結(jié)果,臨界滑裂面應(yīng)在第12與第13道圓弧面之間,可偏于保守認(rèn)為第13道圓弧面為滑裂面,其半徑R=23.4 m,以坡腳為坐標(biāo)原點,圓心坐標(biāo)為xc=0.04 m,yc=12.38 m。滑裂面與原地面交點至坡腳的水平距離為19.8 m,與現(xiàn)場勘察到的地面隆起位置基本一致；滑裂面與堆載土體頂面交點至坡腳的水平距離為23 m,與現(xiàn)場勘察到的堆載土體破裂位置基本一致。滑裂面至橋墩承臺頂面的豎向距離為11 m,處于黏土層中,由此可認(rèn)為承臺頂面以下11 m深度范圍內(nèi)的土體發(fā)生滑移失穩(wěn)破壞。

3 偏移橋墩的結(jié)構(gòu)安全性評估計算

首先對位移最大的28號墩進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計算,以評估該墩樁身結(jié)構(gòu)是否發(fā)生破壞；然后根據(jù)相關(guān)計算結(jié)果,采用施加水平荷載試算位移的方式,計算在墩身位移達(dá)到何種數(shù)值時,樁身結(jié)構(gòu)會發(fā)生破壞,以此評估其他橋墩的結(jié)構(gòu)安全狀況。

表2 滑動面及其穩(wěn)定系數(shù)

如圖2所示,根據(jù)計算經(jīng)驗：在承臺單側(cè)施加一定水平力的情況下,按樁與承臺固結(jié)計算時,最大內(nèi)力發(fā)生在樁頂與承臺連接處。若彎矩達(dá)到一定值,則連接處樁身混凝土首先發(fā)生局部破壞,形成鉸接,樁可以繼續(xù)發(fā)生水平位移并承受豎向壓力及水平剪力,此時最大彎矩出現(xiàn)在樁身中部。為此,先按樁基與承臺固結(jié)計算,以判斷連接處是否發(fā)生局部破壞,形成鉸接；然后再按樁基與承臺鉸接計算,判斷樁身中部是否破壞。因鐵路規(guī)范有2倍的安全系數(shù),試算時以規(guī)范允許值的2倍作為臨界內(nèi)力。

圖2 樁體的破壞位置示意(單位：cm)

3.1 最大位移墩的計算

(1)樁與承臺固結(jié)

根據(jù)滑裂面的計算結(jié)果,可以認(rèn)為承臺頂面以下11 m范圍內(nèi)的樁基不受土體約束,堆土側(cè)承臺及樁基承受堆載土體產(chǎn)生的水平土壓力。軌道對橋墩的橫向約束剛度取20 000 kN/m[1-2]。

28號墩共有φ1.0 m鉆孔樁5根,承臺縱橋向?qū)挾葹? m,橫向?qū)挾葹?.8 m,承臺厚度2.0 m。28號墩計算圖式見圖3。假定在滑裂面以上部分處于堆土側(cè)的承臺及樁基承受堆載水平土壓力作用,滑裂面以下部分按m法考慮土體對樁的約束作用。承臺與樁基的側(cè)面土抗力計算寬度b0及土體的m值參照文獻(xiàn)[3]計算。由表1參數(shù)可計算出滑裂面以上土體的等效內(nèi)摩擦角φ0與主動土壓力系數(shù)ε。

圖3 28號墩計算圖式(單位：cm)

承臺及樁身所受超載水平土壓力計算式為：Qi=b0i×ε×γ×h

其中,γ,h分別為堆載土體的重度及堆載高度,28號墩堆載高度h=8 m。

計算得到：Q1=518.5 kN/m,Q2=155.5 kN/m。

考慮上部梁重、線路荷載及墩身與承臺自重,樁身最大、最小內(nèi)力及其對應(yīng)彎矩計算結(jié)果見表3。查既有橋竣工圖紙,每根樁基縱向配置16根φ16 mm HPB235鋼筋,根據(jù)該數(shù)據(jù)將樁基按偏心受壓構(gòu)件計算,可求出對應(yīng)軸力下,截面所能承受的設(shè)計允許彎矩。

由表3可以看出樁頂所受內(nèi)力遠(yuǎn)大于允許值,樁頂與承臺連接處已發(fā)生局部破壞。考慮到樁與承臺鉸接時,可以釋放受彎約束,但仍能承受水平剪力及豎向力,故下一步將按樁與承臺鉸接計算樁身內(nèi)力。

表3 28號墩樁身內(nèi)力計算結(jié)果(樁頂與承臺固接模型)

(2)樁與承臺鉸接

計算模型與固結(jié)時基本相同,只是將樁基與承臺連接改為鉸接；水平荷載與固結(jié)時相同。計算得到樁身最大彎矩出現(xiàn)在距承臺底面以下9.0 m,即滑裂面處。計算結(jié)果見表4。

由計算結(jié)果可以看出,樁身內(nèi)力遠(yuǎn)大于設(shè)計允許值,樁體結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞。該墩承臺實際位移量166 cm,應(yīng)為樁身斷裂破壞后承臺隨土體一起滑動引起的水平位移。

表4 28號墩樁身內(nèi)力計算結(jié)果(樁頂與承臺鉸接模型)

3.2 其他橋墩的計算

因無其他橋墩的堆載高度等參數(shù),故通過對承臺施加水平集中力,試算位移的方法,評估橋墩樁基的結(jié)構(gòu)狀況。如圖4所示,將水平土壓力簡化為集中力作用在承臺上,試算出樁頂與承臺固結(jié)、樁頂與承臺鉸接2種邊界條件下,樁身達(dá)到強度破壞臨界內(nèi)力時橋墩的位移量,以此判斷其他橋墩的受損情況。試算時不斷調(diào)整F值,使樁身內(nèi)力接近設(shè)計允許內(nèi)力的2倍,認(rèn)為此時為結(jié)構(gòu)破壞臨界狀態(tài)。

圖4 其他橋墩的計算圖式(單位：cm)

其他橋墩墩身高度在10～11 m,計算時取墩身高度為10.5 m。

彈性狀態(tài)下,墩頂水平位移與承臺水平位移的關(guān)系式為：Δ2=Δ1+H×δ。其中Δ2為墩頂位移；Δ1為承臺位移；δ為承臺轉(zhuǎn)角,因受軌道等約束,轉(zhuǎn)角方向為堆載一側(cè)；H為墩身高度。

在樁身同樣內(nèi)力條件下,墩頂位移量受墩身高度及軌道橫向約束剛度影響,故采用承臺水平位移作為其他橋墩結(jié)構(gòu)安全狀況評價指標(biāo)。

由表5、表6計算結(jié)果可以推斷：當(dāng)承臺位移量大于26 mm時,樁頂將發(fā)生局部破壞,其與承臺的連接轉(zhuǎn)變成鉸接,但仍可承受豎向力及水平力；當(dāng)承臺位移量大于52 mm時,樁身下部極有可能發(fā)生斷裂破壞,承載能力大為削弱；位移量處于26～52 mm時,樁發(fā)生局部破壞,耐久性降低,但仍能參與受力。這與文獻(xiàn)[4-6]提供的橋梁墩臺受損程度評價指標(biāo)基本吻合。

表5 其他墩樁頂內(nèi)力試算結(jié)果(樁頂與承臺>固接模型,F=1 600 kN)

表6 其他墩樁身內(nèi)力試算結(jié)果(樁頂與承臺鉸接模型,F=1 300 kN)

4 設(shè)計方案簡述

根據(jù)前文計算結(jié)論,針對不同程度偏移的橋墩,制定了2種修復(fù)或加固方案：(1)偏移量大于50 mm的28號、29號、30號橋墩,采用拆除舊墩新做門式墩的方案；(2)偏移量在25～50 mm的27號、31號墩,采用既有橋墩利舊加固的方案；其他偏移量小于25 mm的橋墩不做處理。

由于橋墩新建或加固施工,不可避免地在既有橋墩周邊要有施工機械進(jìn)行作業(yè)。既有橋墩周邊土體系擾動過的軟弱土層,目前處于非常脆弱的平衡狀態(tài),為防止新增的施工臨時荷載破壞既有土體的平衡,首先采用深層攪拌樁[7]對既有橋墩周邊土體進(jìn)行了加固處理。

4.1 拆除既有橋墩新做門式墩方案

新建預(yù)應(yīng)力混凝土門式墩[8]如圖5所示,設(shè)計預(yù)留了臨時墩基礎(chǔ)的橫向空間,為盡量減小對既有橋墩基礎(chǔ)的影響,門式墩采用高樁承臺。

圖5 新建門式墩結(jié)構(gòu)示意(單位:cm)

施工步驟如下：

(1)施工新建門式墩的樁基礎(chǔ)及承臺；

(2)設(shè)置臨時支撐,將新建樁基與既有橋墩臨時連接,避免拆除鋼軌時釋放約束對既有墩的影響；

(3)施工臨時抬梁支架基礎(chǔ),同時拆除線上設(shè)備以減載；

(4)搭設(shè)支架,將梁體荷載轉(zhuǎn)移至臨時支架上,拆除既有橋墩,新建門式墩；

(5)移梁,恢復(fù)線路。

4.2 既有橋墩利舊加固的方案

如圖6所示,在既有橋墩周圍重新施做鉆孔樁,通過植筋并在既有橋墩及承臺上打孔穿入預(yù)應(yīng)力鋼束的方法將新舊承臺連接成整體,使上部荷載托換至新施做樁基上。計算基礎(chǔ)整體豎向承載力時,不考慮既有樁基。

圖6 既有橋墩利舊加固方案示意(單位:cm)

5 結(jié)語

考慮到土體力學(xué)計算的復(fù)雜性及不確定性,本文理論計算結(jié)論只能作為選擇修復(fù)方案的一個依據(jù),還需要現(xiàn)場各橋墩的實際檢測數(shù)據(jù)做進(jìn)一步支撐。因此,設(shè)計單位建議鐵路主管部門委托有資質(zhì)的檢測單位對受影響范圍內(nèi)的橋墩基礎(chǔ)進(jìn)行檢測。檢測單位對承臺下部土體局部開挖后,檢測了樁與承臺連接處的破壞情況,其結(jié)果與本文計算結(jié)論基本相符；但限于多種原因,對樁身中部的破壞情況未能進(jìn)行檢測。

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