增補樁基加固技術在墩柱蓋梁裂縫病變橋梁的應用探討

黃秀珠

(廣西交通投資集團河池高速公路營運有限公司，廣西 河池 547099)

0 引言

樁基承載力不足，埋置深度不夠，可能引起墩柱下沉，產生過大變形，進而導致墩柱、蓋梁等受力構件開裂，支座變形。如果這些病害得不到及時、有效的維修與加固，橋梁安全風險則會增大，甚至失穩。

增補樁基加固法是目前處理這類橋梁病害比較成熟的技術之一。此技術就是在原樁基周圍補加新的樁基，樁頂新舊承臺通過植筋，協同受力，擴大受力面積，使墩臺所承受的荷載傳遞至新樁基，達到降低舊樁基荷載、共同提高整個墩臺穩定性的目的。本文介紹該加固技術在六河高速公路白巖腳大橋16#、17#墩樁基加固施工中的應用。

1 工程概況

白巖腳大橋位于六河高速公路，橋梁中心樁號為K1658+231。上部結構采用5聯18跨(3×30 m+4×30 m+3×30 m+3×30 m+5×30 m)先簡支后連續預應力混凝土T梁，交角90°，右幅橋長549.1 m，左幅橋長551.9 m，支座為橡膠板式支座；下構橋墩為雙圓柱型橋墩配樁基礎，0#橋臺采用肋板式橋臺，18#橋臺采用柱式橋臺，墩臺均為樁基，樁徑1.8 m，柱直徑1.26 m。橋梁于2012年7月建成通車。

在2016年6月例行檢查時，該橋18#跨橋面標線出現橫向位移6 cm，防撞墻錯位達8 cm。

經廣西金盟工程有限公司對該橋進行檢測，并與2014年7月檢測數據比較，結果如下：

(1)上行線17#墩往橋梁外側位移39 mm，往小里程(貴州)方向位移32 mm；下行線17#墩往橋梁內側位移10 mm。上行線16#墩往橋梁外側位移23 mm，往小里程(貴州)方向位移9 mm，高程下降18 mm。

(2)上行線16#墩左墩柱共發現環向裂縫9條，總長10.87 m，縫寬最寬為0.36 mm，裂縫集中在蓋梁底面往下2.77 m以內；上行線16#墩右墩柱發現環狀裂縫23條(內外側墩柱均有)，也集中在蓋梁底面往下2.5 m以內，總長29.45 m，最大縫寬0.88 mm；上行線17#墩外墩柱發現1條環向裂縫，長1.77 m，寬0.15 mm，距蓋梁底面0.43 m，其他墩柱未發現裂縫。

(3)支座剪切變形。因墩柱變形，繼而引起盆式橡膠支座產生剪切變形。其中變形最嚴重的為上行線17#墩。

(4)上行線16#、17#墩柱蓋梁受擠壓開裂，裂縫為豎直方向，繼而引起擋塊側向受壓開裂。17#墩蓋梁裂縫深度達18 mm。

16#墩因向內側位移，T梁與擋塊緊貼，向擋塊傾斜，引起擋塊外傾變形。查原橋設計圖，該橋16#、17#墩均為單排樁基礎，按照支撐樁設計，設承臺連接墩柱。查竣工資料，16#墩樁基有效孔深約為16 m，地質鉆孔柱狀圖如圖1所示。樁基嵌入強風化泥巖在4～7 m。

圖1 16#、17#墩樁基外樁地質柱狀竣工圖(cm)

2 變形、開裂、下沉原因及機理分析

橋梁病害發生后，由廣西金盟工程有限公司進行檢測，廣西交通規劃勘察設計院進行地質勘探。

2.1 橋址地質狀況

為摸清16#、17#墩橋址地質狀況，在橋址位置重新鉆探。經鉆探揭示，黏土層(Qel+dl)厚2.00～6.50 m，呈可塑～硬塑狀；下伏全風化泥巖、泥頁巖分別呈硬塑黏性土及可塑黏性土混碎石狀，層位不穩定，性質不均勻；強～中風化基巖遇水易軟化、崩解，失水易干裂的特性使其抗風化等外界不良地質應力作用的能力較弱。下伏基巖中存在全、強風化層中夾中風化層或中風化層中夾全或強風化層現象。

對照竣工圖及施工資料，原設計采用端承樁。橋址補鉆顯示，左幅17#墩樁基嵌巖深度為7 m左右，滿足設計要求。右幅17#墩樁基左側3根樁基嵌巖深度約為7 m左右；右側3根樁基剛進入中風化泥巖，不滿足嵌巖要求。右幅16#墩樁基從2#鉆孔推斷左側3根樁基嵌巖深度約為7 m左右；從3#和12#鉆孔推斷右側3根樁基還處在強風化泥巖層內，不滿足嵌巖要求。

場地地基不均勻，為非均勻性地基。下伏基巖為泥巖、泥頁巖，局部含炭質，在地表水入滲或地下水的作用下，其物理性狀將發生以泥(軟)化為主的弱化效應，力學強度衰減，具時效蠕變性。

2.2 橋址地質條件與端承樁不匹配

查竣工圖及鉆孔記錄，該橋實際按照端承樁施工。但16#、17#墩的基樁未嵌入中風化泥巖巖，或嵌入中風化巖深度不足。同時，在成孔過程中，因泥漿護壁，水的侵蝕軟化了泥巖，承載力降低。由于橋址部位強風化層以上巖土層工程性質較差，造成部分基樁地基承載力不足，地基發生不均勻沉降，進而導致樁基礎發生破壞及上部構造接著發生變形、破壞等。從因果關系的角度來講，地基的不均勻沉降和地基失效同樣會引起橋址所在坡體變形、失穩。此外，后期填土層(Qme)的附加荷載、負摩擦效應及下伏各巖土層的軟化、力學強度衰減的時效蠕變性也是其中的影響因素(見圖2)。

圖2 16#、17#墩工程地質剖面圖(cm)

2.3 次生病變

本文以白巖腳大橋16#、17#墩墩柱變形、開裂，造成蓋梁開裂及支座變形為分析研究對象。這些病變，均可歸結為橋址地質條件與端承樁不匹配造成，樁基因承載力不足，樁身變形、下沉，繼而引起墩柱蓋梁開裂或變形等次生病變，甚至引起梁板開裂，危及橋梁安全。

3 加固設計與施工

加固方案的總思路是在維持原有設計荷載等級的前提下，通過加固，糾正變形，確保裂縫不再擴張，提高樁基承載能力和抗變形能力。

3.1 加固設計總體思路

3.1.1 摩擦樁取代端承樁

根據重新勘察的橋址地質情況，兩橋墩處地質以泥巖作為持力層，不足以采用端承樁。因此，推薦采用摩擦樁基礎。樁長應根據場地各地層分布及其力學性質、特征并結合上部荷載，通過計算確定。兩橋墩至河池橋臺一帶宜以混凝土對河床作封閉處理，以防地表水長期入滲而降低地基強度。

3.1.2 應急加固

觀測顯示，16#、17#墩發生變形和環狀裂縫后，連續觀測7 d，變形和環狀裂縫不再擴張，趨于穩定，說明橋梁暫時不會失穩。為防止加固過程中破壞原結構受力，對變形較大的16#墩采取錨索補張拉法，先進行應急加固，再進行永久加固處理。

3.2 應急加固

采用豎井方法，將承臺覆蓋土開挖后，在邊坡鉆孔，傾角為垂直向下3°。采用錨索φs15.2 mm預應力鋼絞線，每根錨索由6根預應力鋼絞線組成，錨索張拉控制應力值σcon=595.2 MPa。每個錨固點張拉力為250 kN。應急加固方案如圖3所示。

圖3 應急加固斷面圖(mm)

3.3 增補樁基加固

本次加固采用“增加樁基、擴大承臺”的方式，新增樁基采用嵌巖樁，并保證入巖深度，擴大承臺，將新舊樁基形成群樁。

(1)在永久性加固施工前，根據監測結果對應急加固采用的錨索進行補張拉，補張拉錨索張拉控制應力σcon=0.32fpk=595.2 MPa，每個錨固點處的設計張拉力為250 kN。補張拉完成后，對錨索、錨頭進行封閉處理，原承臺錨孔注漿封閉。

(2)根據永久性加固設計方案鉆孔成樁，擴大承臺，新增承臺的鋼筋與原承臺鋼筋采用焊接連接成一體，同時在新舊承臺混凝土交界面植筋，以增強新舊混凝土的協同受力。根據原地質勘察結果，為保證樁基進入中風化巖層，16#橋墩樁基新增樁長32 m，17#橋墩樁基新增樁長30 m，樁徑1.8 m。

16#墩基礎增補樁基設計平面圖見圖4。增補樁基按摩擦樁設計，不計算原有樁基受力，比舊樁基加長10 m/根，其立面圖見圖5。

新增承臺與舊承臺連接采用植筋方式，協同受力。植筋示意圖如圖6。新舊混凝土交界面處成凹凸差≥6 mm的粗糙面。植筋采用直徑12 mm的HRB400帶肋鋼筋，植筋深度120 mm，間距600 mm。鉆孔直徑15 mm，用A級膠粘劑固結植筋。

圖4 16#墩增補樁基及承臺平面圖

圖5 16#墩增補樁基及承臺立面圖(cm)

圖6 新舊承臺植筋示意圖(mm)

3.4 粘貼碳纖維布結構補強處治墩柱施工方法

打磨混凝土結合面→修補結合面→刷粘膠→粘貼碳纖維→刷粘膠保護(墩樁碳纖維布加固見下頁圖7)。

圖7 墩樁碳纖維布加固示意圖(cm)

3.5 蓋梁裂縫處治施工方法

清除擋塊部分原有破損混凝土→表面清理→植筋→澆筑混凝土→混凝土達到80%強度→在蓋梁側面粘貼加強鋼板(圖8為粘貼鋼板化學錨栓大樣圖)。

圖8 橋梁蓋梁粘貼鋼板化學錨栓大樣圖(mm)

3.6 施工

該橋樁基鉆孔在有限空間作業。施工隊伍選擇回旋鉆機鉆孔，泥漿護壁法。本橋處于運營中的高速公路，屬于應急加固。為確保過往車輛以及施工作業的安全，加固施工時封閉右幅橋面交通，施工期間右幅過往車輛改道左幅通行，加固措施實施后開放交通。

4 加固效果

應急加固于2016-09-25完成，9月30日開放交通。同時，按照加固設計，在應急加固基礎上，增補樁基，植筋加固承臺，封閉墩柱蓋梁裂縫，重建16#墩擋塊，更換支座等系列加固措施于2016-12-20完成。應急加固后連續觀測5 d，沉降、位移基本趨于穩定。

其中第五聯其它墩柱位移監測情況如下：

(1)沉降均在合理范圍內，14#橋墩沉降較初始值下沉3.9 mm，15#橋墩沉降較初始值下沉4.2 mm，17#橋墩沉降較初始值下沉6.3 mm。

(2)水平向無明顯偏位。應急加固錨索拉力整體呈微小下降趨勢，基本處于穩定狀況。投入使用后，每個季度連續跟蹤觀測變形，基本處于穩定狀態。至2018-05-01前觀測，所加固的橋墩，沒有產生新的裂縫、變形，橋梁目前處于正常服役狀態。

5 結語

(1)增補樁加固法是一種成熟的，針對舊橋樁基承載力不足及變形大的單樁、單排樁、群樁進行有效加固的方案。

(2)嵌巖深度是確保樁基承載力與穩定性的關鍵因素。

(3)設計時合理論證，根據橋址地質狀況選擇摩擦樁、端承樁和嵌巖樁。