U型橋臺常見裂縫產生原因及加固方法研究

劉家慶，李昌鋒

(1.廣西浦信高速公路有限公司，廣西 南寧 530000；2.廣西桂通工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530028)

0 引言

梁橋和拱橋上常用的重力式橋臺為U型橋臺，臺身由前墻和兩個側墻構成U字形結構，故稱為U型橋臺。U型橋臺主要靠自身重量來平衡外力，所以臺身厚重，一般用混凝土或片、塊石砌筑。得益于結構的良好整體性，以及充足的強度、剛度和穩定性，而且構造簡單，施工便利，U型橋臺成為目前公路橋梁最常見的橋臺形式。U型橋臺地基承載應力均勻，外觀簡潔，在我國被廣泛應用于地質良好的中、小橋。由于設計考慮不周和施工方法不當等原因，工程實踐中經常出現橋臺臺身或臺內路面的開裂、側墻傾斜外移、前墻發生裂縫、錐坡沉陷坍塌、橋臺基礎被掏空等病害，嚴重時甚至無法使用。

本文針對U型橋臺裂縫病害，從裂縫外在形態特點出發分析病害產生的原因，并進一步展開了相應的加固處治對策研究。

1 U型橋臺常見裂縫病害特點

U型橋臺裂縫按其產生原因可以分為兩大類：非結構受力裂縫；結構受力裂縫。

1.1 非結構受力裂縫

此類裂縫主要是由混凝土收縮引起，通常呈現網狀裂縫分布，裂縫分布位置、長短沒有規律，常見分布于橋臺前墻、側墻。非結構受力裂縫要通過檢測儀器才能量測，這種裂縫分布不規則，對結構物的結構安全影響不大，但影響外觀質量以及耐久性。

1.2 結構受力裂縫

結構受力裂縫根據裂縫部位不同可分為橋臺前墻豎向裂縫、橫向裂縫、斜向裂縫，側墻斜向裂縫、豎向裂縫，背墻橫向裂縫、豎向裂縫、斜向裂縫，前墻和側墻貫通的斜向裂縫。下面對裂縫產生部位及方向分別進行歸納闡述。

1.2.1 前墻豎向裂縫

橋臺前墻豎向裂縫通常從基礎底部往上發展，多數裂縫貫通整個橋臺，裂縫較寬，呈現下寬上窄分布特點，同時伴隨有錯臺趨勢，地基有不均勻沉降跡象，對于表面封閉過的豎向裂縫，往往會重新開裂。

1.2.2 前墻橫向、斜向裂縫

橋臺前墻橫向、斜向裂縫多見于前墻頂部，距離臺帽0～2 m范圍不等，橫向分布長度不一，基本延伸至橋臺邊緣，伴隨有破碎、斷裂跡象，有錯臺趨勢，敲擊裂縫以上部位，聲音較沉，形成斷裂塊。

1.2.3 側墻斜向裂縫

橋臺側墻斜向裂縫為U型橋臺較為常見的裂縫病害，多數橋臺存在此類病害，根據病害嚴重程度不同，裂縫長短不一。裂縫多數從臺帽處展開，向下延伸，裂縫寬度呈現上寬下窄。根據病害產生的原因不同，裂縫延伸方向有向后延伸和向前延伸，向前延伸的裂縫多數開展至前墻或接近前墻，向后延伸裂縫基本順著前墻與側墻交界處發展。

1.2.4 側墻豎向裂縫

橋臺側墻豎向裂縫基本是從頂部發展，位于背墻交界處往臺后部分，呈現上寬下窄的裂縫寬度特點，多數有滲水痕跡，裂縫寬度較大，超過《公路橋涵養護規范》(JTG H11-2004)規定的縫寬限值[1](0.3 mm)。

1.2.5 背墻裂縫

橋臺背墻橫向裂縫一般較寬，能達到厘米級，裂縫長度較長，基本位于同一高度分布，形成斷裂塊，裂縫伴隨有滲水跡象，多見于高背墻結構。背墻斜向裂縫多見于背墻端部，位于前側或者外側，裂縫寬度較大，超過《公路橋涵養護規范》(JTG H11-2004)規定的縫寬限值(0.3 mm)。背墻豎向裂縫多數位于外側，裂縫寬度較大，達到厘米級，縫寬超限。

1.2.6 綜合性裂縫

橋臺綜合性裂縫產生于多個結構相互連通，或者同一構件存在多種裂縫交錯，如前墻橫向裂縫與斜向裂縫連通，前墻裂縫與側墻裂縫連通，背墻裂縫與側墻裂縫貫通。此類裂縫寬度較大，基本達到厘米級，連通裂縫致使橋臺形成斷裂塊，嚴重影響橋臺結構的使用。

2 U型橋臺常見裂縫成因分析

造成U型橋臺產生裂縫的原因較多，包括材料本身特性、施工、設計、設計外非對稱荷載作用等，不同類型的裂縫產生原因不一樣。現根據不同裂縫類型對其產生原因進行分析。

2.1 非結構受力裂縫成因分析

此類裂縫多數形成于施工初期，重力式U型混凝土橋臺屬于大體積混凝土澆筑范疇，水化熱聚集在結構內部不易消失。對設計而言需要有必要的防裂構造鋼筋，對施工而言，如果混凝土養生不到位，沒有采取分層澆筑、摻入合理的添加劑等控制大體積水化熱的措施，那么在混凝土收縮作用下，在混凝土表面會產生網狀裂縫，屬于非結構受力。對于向陽面的側墻，由于熱脹冷縮，在溫度梯度作用下結構自身不均勻收縮膨脹變形也會導致表面產生不規則的網狀裂縫[2]。

2.2 結構受力裂縫成因分析

2.2.1 前墻豎向貫通裂縫

前墻豎向貫通裂縫主要是由于基礎地基產生不均勻沉降，基礎底面受力不均勻，產生過大的拉應力，致使橋臺前墻開裂。

2.2.2 前墻橫向、斜向裂縫

前墻橫向、斜向裂縫往往伴隨有混凝土破碎，根據現場檢測，用錘敲擊混凝土塊，在裂縫邊緣混凝土較破碎，敲擊遠離裂縫區，能聽到沉悶的聲音，鑿除裂縫邊緣混凝土，能發現混凝土塊形成斷裂面。產生此類裂縫的原因是混凝土澆筑質量較差，在車輛荷載沖擊下前墻不斷開裂并形成斷裂塊。

2.2.3 側墻裂縫

側墻斜向裂縫根據其延伸方向不同，可推斷其產生的原因不同。對于向前墻延伸的斜向裂縫，主要也是由于混凝土澆筑質量較差引起。對于向臺后延伸的斜向裂縫，其產生原因有兩方面：(1)臺后填土采用黏性土，土質較差，臺后路面開裂后雨水滲入臺后填料，臺內排水不暢，積水導致臺腔內填土強度指標降低，內摩擦角減小，從而使作用在臺身的主動土壓力增大，導致橋臺開裂[3]；(2)部分橋臺臺后路面下沉，臺后路面的不平整引起橋臺處車輛跳車，對臺帽產生較大的沖擊力，導致橋臺側墻產生裂縫。

2.2.4 背墻橫向裂縫

背墻橫向裂縫多產生于高背墻結構，對于上構采用T梁的橋臺，由于梁高較高，背墻相應也較高，如果背墻設計仍然采用與普通背墻一樣的配筋，勢必難以滿足要求，若伸縮縫存在高差，在車輛沖擊作用下，背墻很容易開裂。

2.2.5 綜合性裂縫

橋臺綜合性裂縫產生原因較為復雜，存在前面幾種因素的一種或幾種，需要根據具體裂縫特點進行綜合分析。

3 U型橋臺加固對策

分析上述現象中裂縫產生的原因，對U型橋臺產生的裂縫，應當根據具體的原因進行分類處置。

3.1 砂漿涂抹、灌注等預防、維護性修補

這種處理方法主要是針對非結構裂縫及結構裂縫的輔助綜合處理，用于提高結構物外觀質量和耐久性，防止雨水滲漏及二氧化碳腐蝕。

3.2 增強地基承載力

因基礎地基不均勻沉降引起的裂縫，應當以增強地基承載力作為首要目標，可以采用換填、擴基、高壓旋噴或基礎注漿法。為不中斷交通，在工程實踐中多采用注漿法，通過滲透、填充、置換、擠密等一系列流程，達到增強地基承載力的目的。

3.3 灌漿處理法

對于車輛的循環動荷載作用以及之前施工未分層壓實等原因造成的橋臺下沉，會導致橋臺跳車以及嚴重的路面開裂，這一方面會因橋臺跳車等動力作用加強對臺帽等局部結構的破壞，另一方面會進一步導致滲入臺后的雨水無法及時排出，增大了側墻的土壓力，產生非對稱荷載，導致橋臺側墻開裂。

處理此類裂縫處理的思路，可以從解決水的滲入和臺后沉降，增強臺身整體性等方面出發。(1)采用高壓灌注環氧砂漿修復側墻裂縫并灌漿，增加填料的密實度，對于淺層的灌漿還可以起到消除沉降差的作用；(2)在前墻底部附近增設帶反濾層的排水孔疏導滲水，路肩附近臺后填土布設排水通道；(3)在兩側墻間對穿預應力鋼筋或鋼筋束錨固側墻從而達到增強橋臺整體性的目的；(4)修補臺帽局部破損和破損路面以封堵滲水源頭。

3.4 植筋拉桿錨固

對于臺帽等因伸縮縫引起的橋臺跳車或混凝土施工強度不足等引起的局部裂縫，可以采用植筋加格構梁對穿預應力拉桿錨固的加固方案，同時還可以考慮采用無縫橋梁方案，從根本上減少甚至解決車輛荷載通過伸縮縫時的震動荷載。

3.5 粘貼鋼板加固

對于橋臺側墻存在輕微斜向裂縫而未形成斷裂塊的病害，可以采用粘貼鋼板，同時植入錨桿加固，對錨桿施加一定的預壓力，以抑制側墻斜向裂縫的發展，同時對橋臺側墻進行結構補強，提高其承載力。

3.6 其他方法

目前重力式橋臺的其他加固方法主要有倒角法、預留縫法、鋼筋混凝土圈梁法、前墻背后增設扶臂肋墻、前墻設置注漿錨桿、增大截面法等，而復合碳纖維加固U型高橋臺還處于研究階段。

4 工程應用案例

4.1 工程概況

某建成于2004年的一座4跨先簡支后連續預應力混凝土梁橋，上部結構為3孔30 m預應力混凝土T形梁及1孔20 m預應力混凝土空心梁，橋臺為重力式U型橋臺采用明挖擴大基礎，中間橋墩為雙柱式墩采用明挖樁基礎。經過多年運營后，2014年檢測發現左幅0#橋臺側墻存在1道斜向裂縫，從臺帽下緣距離前墻1.66 m處往前墻延伸，裂縫長2.42 m，寬0.3 mm。2016年檢測發現斜向裂縫有發展趨勢，影響橋臺結構安全，于2016年對該橋臺進行加固。側墻裂縫病害如圖1、圖2所示。

4.2 橋臺裂縫原因分析及加固

根據上述分析及現場勘查的情況，裂縫發生部位是側墻，向前墻斜向發展，因路面狀態較好，從路面處雨水滲入量小，經現場測量臺后沉降較小，行車平順，且經核查建設檔案資料，臺背回填良好，由此可以判斷，主要原因為其澆筑質量欠缺，故混凝土耐久性不足，整體剛度下降，導致側墻裂縫持續發展。

圖1 橋臺側墻斜向裂縫示意圖(單位：cm)

圖2 橋臺側墻斜向裂縫現場圖

為了不影響橋臺結構的安全使用，控制側墻裂縫進一步發展，對左幅0#橋臺側墻采用粘貼鋼板加固，同時植入樹脂錨桿。因側墻開裂不排除此前滲水從此裂縫處進入，且原設計泄水考慮不足，故在橋臺前墻底部預防性增設泄水孔。橫向鋼板從側墻繞到前墻，在轉角處彎折，在裂縫范圍內粘貼4塊橫向鋼板，鋼板間距60 cm，寬40 cm，厚8 mm。同時在橫向鋼板外側加豎向鋼板作為壓條，鋼板間距60 cm，寬40 cm，厚8 mm，在橫向鋼板之間的縫隙加墊鋼板。在橫向鋼板和豎向鋼板交接處植入樹脂錨桿，錨桿采用JL25精軋螺紋鋼筋，在鋼板其余部位植入M12螺栓，將橫向鋼板、豎向鋼板和橋臺有效連接，形成整體，共同受力。橋臺加固如圖3、圖4所示。

圖3 粘貼鋼板加固示意圖

圖4 粘貼鋼板加固現場施工圖

4.3 橋臺加固效果

橋臺加固后，至今未見橋臺側墻裂縫再發展，加固效果良好，加固后現狀見圖5。

圖5 橋臺加固現場效果圖

5 結語

(1)U型橋臺裂縫按其產生原因可以分為兩大類：一類是非結構受力裂縫，另一類是結構受力裂縫。

(2)非結構受力裂縫產生的直接原因是大體積混凝土施工的水化熱和陽光照射不均的溫度梯度，設計上沒有布設或布設抗裂構造鋼筋不充分。

(3)不同部位和發展方向的結構性裂縫經過裂縫外觀分析可以得出：

橋臺前墻豎向貫通裂縫通常主要是由于地基不均勻沉降產生；

前墻橫向、斜向裂縫是由于混凝土澆筑質量較差，車輛沖擊作用引起；

側墻裂縫產生的原因有側墻混凝土澆筑質量較差，臺后填土質量較差，臺后排水不暢，臺后路面下沉、伸縮縫存在高差引起的車輛沖擊作用等；

背墻橫向裂縫主要是由于伸縮縫存在高差，車輛沖擊引起。

(4)根據U型橋臺常見裂縫成因，裂縫處置方法也應具體問題具體分析，從增強地基承載力，重建防排水通道體系，改善臺后填筑質量，通過布設預應力錨固體系、使用高強新材料或者增大截面面積增強臺身的整體性、剛度，以及重新改造橋面系等方面入手，予以綜合性的處置。

(5)案例分析表明植筋拉桿錨固可以有效地減小橋臺受力和位移效應，可因地制宜采用。

U型橋臺在施工中裂縫成因多樣，隨著技術的發展，裂縫的控制研究涉及多學科交叉，需要工程技術人員在施工中不斷摸索，不斷總結經濟實用的新工藝、新方法。

[1]JTG H11-2004，公路橋涵養護規范[S].

[2]劉建雄，吳美君.豎向開裂U型橋臺加固方案探索與應用[J].湖南交通科技，2012(9)：96-99.

[3]李洪峰，陳世英，宗道明.大體積混凝土U型橋臺裂縫的處理和防治[J].青海交通科技，2004(6)：28-30.