洪水沖刷對重載鐵路橋梁動力性能影響及加固技術

陳樹禮， 劉永前

(1.石家莊鐵道大學 大型結構健康診斷與控制研究所，石家莊 050043;2. 河北省大型結構健康診斷與控制重點實驗室，石家莊 050043)

洪水及其引起的沖刷是影響橋梁安全的重要因素，超過半數(shù)的水毀橋梁破壞均與洪水沖刷有關[1-2]。洪水沖刷橋梁基礎，將引起樁側土體和基礎埋深減少、橋梁整體剛度和承載能力降低及水流沖擊力增大等一系列問題，進而影響橋梁動力性能變化，嚴重情況下可導致橋梁垮塌[3]，尤其是對于運行25 t以上軸重的重載鐵路橋梁而言更為明顯。洪水沖刷對基礎埋深的改變將會直接對橋梁動力特性和列車運營安全產(chǎn)生巨大影響，因此，開展洪水沖刷作用下的重載鐵路橋梁動力性能試驗和加固技術研究很有必要。

針對洪水沖刷引起的橋梁振動問題，很多學者都進行了大量研究并取得豐富成果。其中，梁發(fā)云等[4]采用開挖橋墩周圍土體模擬基礎沖刷的方法，完成了鐵路橋墩基礎沖刷對橋墩自振特性的理論分析和現(xiàn)場試驗研究；梁發(fā)云等[5-9]采用理論分析、模型試驗和現(xiàn)場試驗方法，系統(tǒng)分析了沖刷對橋墩單樁承載特性、自振頻率以及簡支梁橋頻率特性的研究，探討了簡支橋橋墩受沖刷后模態(tài)頻率的變化特性；李克冰等[10]開展了考慮河流沖刷作用的車橋耦合系統(tǒng)動力分析，完成了沖刷對車橋動力響應以及列車運行安全性的仿真分析。方翔宇等[11-12]采用數(shù)值模擬分析方法，分別針對河流沖刷對鐵路走行安全性的影響及基礎沖刷對鐵路橋梁服役安全性能的影響進行了深入研究。對于橋墩加固問題，陳令坤、肖祥淋等[13-14]針對鐵路雙柱式橋墩，提出了多種橋墩加固方案并進行了數(shù)值模擬分析；而王國亮等[15-17]則對增補樁基法進行了系統(tǒng)研究，并在多座橋梁上完成了工程應用。既有研究主要集中在沖刷對橋梁穩(wěn)定影響的理論分析、模擬試驗和增補樁基法在公路橋梁沖刷加固中的應用方面，針對洪水沖刷作用下的重載鐵路橋墩動力響應試驗和加固技術的研究較少。

據(jù)此，本文以某重載鐵路為工程背景，針對采用淺埋式樁基礎的鐵路簡支T梁結構，開展洪水沖刷作用下的橋梁動力性能試驗，分析研究沖刷深度和列車速度對橋梁動力響應的影響，設計適用于重載鐵路的橋墩加固技術并開展實橋應用研究，為以后類似工程加固提供借鑒。

1 工程概況

某重載鐵路特大橋為雙線橋，線路主要運行C64、C70和C80類型貨車，列車編組包括 5 000 t、10 000 t、20 000 t等多種形式，年運量超過2億噸。大橋上部結構為32 m預應力混凝土簡支T梁，盆式橡膠支座，下部結構為雙柱圓端形板式橋墩樁基礎，樁基礎均采用8根直徑為0.8 m的樁基礎，樁長12.0～17.0 m，其中8#墩、9#墩樁均為15.0 m，10#墩樁長16.0 m，全橋墩高3.87～4.37 m。大橋上下行橋墩分離，但共用同一承臺基礎，承臺尺寸為8.40×4.00×2.00 m。圖1為橋墩結構示意圖。

大橋于1999年9月建成，近年來常年干涸，表層砂風化嚴重，已呈粉砂狀，周邊居民在橋梁兩側河道內(nèi)挖沙，造成橋址上下游河床縱坡加大，河床局部下切，河床發(fā)生較大變化，而橋下河沙堆積較為嚴重，橋下凈空低于3.0 m。2016年7月，由于連續(xù)多日強降雨和上游水庫泄洪，河道7#～10#墩之間短時洪水流量達到100 m3/s，短時間內(nèi)洪水過境致使大橋8#、9#、10#橋墩出現(xiàn)了較大的沖刷，沖刷深度達到近9 m(圖2為橋墩沖刷前后對比)，三個橋墩承臺及樁基礎均出現(xiàn)了不同深度的外露，現(xiàn)承臺以下部分樁基裸露出3～5 m，9#和10#墩已沖刷至卵石層，洪水沖刷對列車運營安全造成很大隱患。

圖1 橋墩結構示意圖Fig.1 Bridge pier structure diagram

圖2 橋墩沖刷前后對比Fig.2 Pier situation before and after flood scouring

相比較普通鐵路而言，重載運輸具有大軸重、大運量、高速度的典型特點。重載列車過橋，其橫向力、豎向荷載和沖擊次數(shù)大幅增加，振動和疲勞加劇。當橋墩基礎沖刷嚴重時，重載列車通過將對橋梁安全造成巨大不利影響。為保證行車安全，洪水過橋時采用列車限速(≤60 km/h)、橋下拋石、橋墩基礎四周填土防護、橋梁運營性能動態(tài)監(jiān)測等一系列措施來保證橋梁運營安全。

2 動力性能試驗

文獻[18]中規(guī)定，鐵路橋梁應具有足夠的橫向剛度，保證列車以規(guī)定的速度通過時，橋梁結構不出現(xiàn)激烈振動。因此，在現(xiàn)場試驗時將橋墩墩頂橫向振幅和橋跨跨中橫向振幅作為影響橋梁行車安全的動力性能指標，用以分析洪水沖刷對橋梁動力性能的影響規(guī)律，分為行車安全限值和通常值兩個判別值，其中行車安全限值是保證列車一規(guī)定的速度安全通過，橋梁結構必須滿足的限值指標；通常值是指橋梁在正常運用中的振幅實測值的上限以及頻率實測值的下限。

橋跨跨中橫向振幅安全限值：

[Amax]≤L/9 000 (mm)

(1)

橋跨跨中橫向振幅通常值：

(Amax)≤L/7.0B(mm)

(2)

墩頂橫向振幅通常值(中高墩，樁基礎)：

(3)

式中：B為墩身橫向平均寬度(m)；H為墩全高(m)；△h為地基土特征橫向振幅取值參數(shù)(m)；L為跨度(m)。

在上游洪水沖刷時進行現(xiàn)場測試，全天二十四小時監(jiān)測沖刷橋墩及主梁的控制參數(shù)變化情況，主要包括橋墩墩頂橫向振幅及主梁跨中橫向振幅，對橋墩豎向加速度和縱向振幅進行間斷測試，并與以往測試數(shù)據(jù)進行對比?，F(xiàn)場測試采用941B、891-Ⅱ拾振器并配套INV系列數(shù)據(jù)采集儀和IMC數(shù)據(jù)采集儀完成。

圖3 測試現(xiàn)場Fig.3 Test site

2.1 沖刷深度影響

河道內(nèi)大量堆積松軟河沙，上游洪水通過時河道沖刷迅速，在短短4～6 h內(nèi)沖刷深度達到近9 m。現(xiàn)場測試隨沖刷深度增加橋跨結構的動力響應，同時測量橋墩沖刷的大致深度。表1為不同沖刷深度下典型橋跨動力響應實測結果，圖4為主要測試參數(shù)與沖刷深度關系曲線，其中橫向振幅為實測振動時程曲線最大值，沖刷深度采用在墩頂上方竹竿探底和吊線垂方式測試得到，取墩身四周多個位置的沖刷深度平均值作為整體沖刷深度，每趟列車通過時測試一次，此時列車速度偏低，無洪水沖刷時列車速度在58 ～76 km/h。

表1 不同沖刷深度典型橋跨動力響應

由表1和圖4可知，洪水沖刷時列車速度遠小于無沖刷時速度，洪水沖刷引起橋墩基礎不同程度外露，進而引起橋墩墩頂和跨中橫向振幅顯著增大。列車低速通過時橋梁橫向振幅遠大于列車高速通過時數(shù)據(jù)，更加說明洪水沖刷引起了橋梁振動明顯加劇，影響安全運營。橋墩墩頂橫向振幅和橋跨跨中橫向振幅隨沖刷深度增加而逐漸增大，橋墩振動增大直接導致主梁振動加劇。相比較而言，洪水沖刷對橋墩影響更為敏感，當沖刷深度達到7 m以上時，墩頂橫向振幅平均值及最大值的增加幅度均達到100%以上，而對應橋跨跨中橫向振幅平均值及最大值的增幅約為50%。洪水沖刷導致橋墩埋深減小和橫向剛度顯著降低，車致橫向振動加劇。

圖4 主要測試參數(shù)與沖刷深度關系曲線Fig.4 Relationship between test parameters and scouring depth

橋墩橫向自振頻率采用錘擊法和余振法測試。沖刷前9#墩橫向自振頻率為14.5 Hz，隨沖刷深度增加，橋墩橫向自振頻率逐漸降低，沖刷深度在1～3 m時，自振頻率降低至11.2 Hz，當沖刷深度達到7 m以上且趨于穩(wěn)定時，現(xiàn)場實測9#墩橫向自振頻率為7.3 Hz，隨沖刷深度增加，橋墩橫向自振頻率逐漸減小。比較而言，承臺部分土層沖刷對自振頻率的影響更為顯著，而沖刷至樁基礎時，橋墩自振頻率降低幅度有所減小，自振頻率降低值與沖刷深度成正比。現(xiàn)場對9#墩墩頂縱向振幅、豎向加速度進行了跟蹤觀測，隨沖刷深度增加，墩頂縱向振幅和豎向加速度數(shù)值略有增大，但變化趨勢不明顯，說明橋墩基礎豎向剛度變化不明顯，并且全橋橋墩在縱向方向承受橋跨限制約束作用，縱向振動變化也不明顯。

橋墩基礎的水平承載能力主要和墩臺基礎類型、材料及截面特性、地質(zhì)條件和埋置深度有關，本橋采用樁基+承臺基礎，沖刷前樁基和承臺均由土層包圍，側面受到土的抗力作用；洪水沖刷后，承臺基礎全部裸露且樁基礎也裸露一定高度，整個基礎結構中只有土層中樁基橫向受力，橫向剛度必定大幅降低。而本橋淺沙層下方為卵石土，樁基為摩擦樁，豎向剛度主要由樁側摩擦力和基底承載力共同承擔，洪水沖刷引起樁側土層流失，但相對于樁基全長而言比例相對較小，對橋墩基礎整體豎向剛度的影響小于對橫向剛度的影響，所以沖刷對橋墩橫向振動的影響要大于對豎向振動的影響。

2.2 列車速度影響

同樣沖刷條件下，列車速度不同也會對橋梁振動產(chǎn)生影響。洪水沖刷中和橋墩加固過程中的典型橋跨測試參數(shù)對比見表2所示；沖刷前后典型橋墩及主梁測試參數(shù)對比見圖5所示，其中洪水沖刷中數(shù)據(jù)為橋墩基礎沖刷到最大深度及穩(wěn)定后的兩階段測試數(shù)據(jù)，8#、9#和10#墩對應沖刷深度分別為為6.5 m、8.7 m和8.2 m，實測橋墩橫向自振頻率分別為10.5 Hz、8.2 Hz

和7.3 Hz，洪水沖刷時現(xiàn)場采取了拋石、填土等措施進行臨時加固處理，橋墩四周埋有部分砂石；橋墩加固中數(shù)據(jù)為洪水退去后進行現(xiàn)場加固施工時的數(shù)據(jù)，此時橋墩基礎周圍開挖明顯，樁基明顯裸露，加固時墩身裸露程度大于洪水沖刷時數(shù)值。

表2 洪水沖刷前后橋梁測試數(shù)據(jù)對比

圖5 沖刷前后典型橋墩及主梁測試參數(shù)對比Fig.5 Comparison of bridge test data before and after flood scouring

圖5中，洪水沖刷時數(shù)據(jù)分為兩個階段，列車速度在30～40 km/h之間時為洪水急速沖刷階段，墩身基礎沖刷深度迅速增加，當沖刷到一定程度后，沖刷深度不再增加，橋梁結構振動也趨于穩(wěn)定，此時列車提速至45～60 km/h之間。

分析洪水沖刷工況，在相近沖刷深度情況下，隨列車速度提高，8#墩、9#墩及10#墩墩頂橫向振幅及第9孔跨中橫向振幅有逐漸增大趨勢，但增大幅度不太明顯，墩頂及橋跨跨中橫向振幅與列車速度基本成正比關系。在洪水沖刷過程中，由于8#墩有部分承臺未裸露出地面，埋深較多，而9#墩和10#墩受洪水沖刷作用，承臺全部裸露且樁基礎也裸露出2～5m高度， 相同速度列車作用下9#墩和10#墩橫向振幅數(shù)值大小基本接近且均大于8#墩數(shù)值。

在橋墩加固過程中需要將墩臺基礎四周土體清除干凈并預留一定的施工空間，此時承臺基礎全部裸露且樁基也有部分裸露，多個橋墩樁基四周埋土深度基本上都小于沖刷時數(shù)值。對應在45～60 km/h列車作用下，加固過程中橋墩和橋跨橫向振幅均大于洪水沖刷過程中數(shù)值，且9#、10#墩墩頂橫向振幅接近規(guī)范通常值要求，再次說明沖刷深度越大，橋梁振動越大，橋梁振動幅值基本上和沖刷深度成正比關系。沖刷造成承臺和樁基的裸露程度與橋墩及橋跨的橫向振動成正比關系，沖刷深度增加直接導致墩臺基礎橫向剛度和穩(wěn)定性降低，進而引起橋跨結構振動加劇。

洪水沖刷大都具有突然、迅速和危害力巨大特點，影響結構穩(wěn)定和運營安全，而在洪水沖刷橋墩基礎過程中，有效的防護措施就是盡可能保障橋墩基礎周圍土體不被沖刷，保證足夠的埋土深度，可以考慮通過拋石、填充、引流等措施實現(xiàn)。

3 橋墩加固

對于洪水沖刷作用下的橋墩基礎而言，其基礎埋深大幅降低，相應橋墩基礎的橫向剛度、承載能力、穩(wěn)定性也出現(xiàn)下降，為達到提高基礎承載能力、增加穩(wěn)定性和減振抑振的目的，加固設計需要從增加橋墩基礎剛度和穩(wěn)定性入手。常規(guī)的鐵路橋墩加固方法有很多，主要包括噴射注漿法、外包材料加固法、擴大基礎加固法、增補樁基法等，且各有優(yōu)缺點，相對來說，增補樁基法對于處理沖刷引起的橋梁病害問題較為合適[13～16]。

增補樁基法基本思路是：對沖刷嚴重橋墩基礎基礎，在樁基礎周圍補加鉆孔樁并擴大原有承臺，新舊承臺間澆筑鋼筋混凝土連接，同時將承臺基礎與樁基連接在一起，新舊基礎形成一個完整整體，以此提高基礎承載能力和穩(wěn)定性。增補基樁法中的樁基類型多采用摩擦樁和柱樁兩種，其中摩擦樁主要由樁側土摩擦力和樁底抵抗力共同支撐垂直荷載，樁側極限摩阻力大小與土層性質(zhì)、成孔工藝和入土深度都有關，當入土深度達到一定程度時，樁側摩阻力將達到臨界值而不再增加，一般情況下臨界摩阻力在25 m處出現(xiàn)[17]。而柱樁一般需要將樁底直接嵌入到巖石中，荷載全部由底部巖層承受，樁側摩阻力可忽略不計，具體選擇何種樁基形式以及樁長、樁徑的確定需要根據(jù)地質(zhì)情況和加固效果需求確定。

3.1 加固設計

重載鐵路運輸具有大軸重、大運量的典型特點，對于本橋而言，考慮沖擊影響，單孔T梁橋上活載重量將達到250 t以上，相應橫向搖擺力、制動力等也大幅增加，洪水沖刷作用下墩臺基礎和橋跨振動明顯。因此，橋梁加固須從減振抑振和提高基礎穩(wěn)定性兩方面入手，即橋墩加固目標包括兩個方面：首先要從橋梁結構減振抑振方面入手，通過增大橋墩橫向剛度，保證加固后的橋墩及橋跨橫向振動大幅降低；其次，還需要大幅提高基礎承載能力和穩(wěn)定性，以降低洪水沖刷對橋梁結構的危害，這也是洪水沖刷作用下重載鐵路橋梁加固必須考慮的問題。

根據(jù)加固目標和橋梁實際地質(zhì)狀況，提出一種基于增補樁基和增大基礎的整體加固方法：“增補樁基法+增大基礎法”，其核心思想是在增補一定數(shù)量樁基礎的前提下，同時對樁基上半部分進行增大基礎加固處理，大幅提高墩臺基礎各向剛度和承載能力。在評價加固效果時，首先是保證位移、內(nèi)力等靜力性能參數(shù)在滿足設計要求基礎上降低50%及以上，其次是橫向自振頻率增加50%以上。

具體加固方法是：因橋梁建成后地區(qū)河流無變化，加固設計仍采用原橋設計時的百年設計流量，在此基礎上進行基礎和樁基加固。加固設計采用樁徑1.0 m摩擦樁，對應原始樁長，加固樁長取為25.0～26.0 m，每個基礎增加12根樁基。樁基采用鉆孔樁形式，并增設六面配筋承臺包護。在既有承臺及墩身植筋，梅花形布置植入φ28 mm牽釘鋼筋，植筋鉆孔孔徑35 mm，植筋完成后鉆孔注漿處理。牽釘與新建包護承臺鋼筋綁扎。對目前主河槽內(nèi)8#～10#墩承臺以下、卵石層以上采用基礎加固，結構整體為C30片石混凝土，并設護面鋼筋，片石距離護面鋼筋不小于15 cm，承臺以下0.3 m范圍內(nèi)采用微膨脹混凝土。施工完成后，對這部分基礎進行砂卵石回填，回填至現(xiàn)有河床面，回填時，應分層夯實，壓實密度不小于90%。圖6為加固方案示意圖。

圖6 橋墩“增補樁基法+增大基礎法”示意圖Fig.6 Piers “Increasing pile foundation method + Increasing basic method”

設計完成后進行加固檢算，檢算在恒載、主力、主力+縱向附加力和主力+橫向附加力共4種荷載組合情況下的內(nèi)力與變位、墩頂位移、樁身彎矩及剪力、單樁承載力和樁底最大壓應力等參數(shù)，經(jīng)檢算，各項靜力檢算參數(shù)均滿足設計要求，且多項位移、內(nèi)力等靜力性能指標明顯降低，達到加固目標要求。加固后8#、9#和10#橋墩橫向自振頻率計算值分別為24.5 Hz、24.5 Hz和27.2 Hz，較加固前的10.8 Hz、10.8 Hz和11.3 Hz均增大一倍以上。

3.2 加固實施

現(xiàn)場加固依據(jù)上述“增補樁基法+增大基礎法”進行。在具體施工時，遵循以下原則：

(1) 按照同一橋墩的樁基逐根施工的操作順序進行，嚴禁同時施做，承臺牽釘孔施工以不影響樁基施工為準，樁基施工完成后再進行承臺施工；在樁基加固完成后，再開挖施做加固防護結構。

(2) 樁基施工嚴禁采用沖擊鉆孔施工，防止沖擊作用對橋墩基礎干擾；在進行承臺鉆孔施工時，牽釘孔不能使用沖擊鉆，防止既有承臺基礎及臺身出現(xiàn)破損。

(3) 施工時應做好對既有橋墩的監(jiān)測工作，當發(fā)生影響橋墩安全的狀況時，應立即采取相應措施，確保行車安全。

(4) 現(xiàn)場施工需避開雨季施工，同時也需做好防洪應急預案。圖7為橋墩及基礎加固情況。

圖7 橋墩加固情景Fig.7 Piers reinforcement scene

3.3 加固前后對比試驗

在橋墩基礎加固前后進行動力性能試驗，表3為橋墩及主梁加固前后數(shù)據(jù)統(tǒng)計表，其中加固前數(shù)據(jù)為洪水沖刷中和墩身加固中的測試數(shù)據(jù)，8#～10#墩沖刷深度在1.0～8.7 m之間，加固后數(shù)據(jù)為加固完成并取消限速后的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)。圖8為上行重車通過時為橋墩加固前后墩頂及主梁橫向振幅對比圖。

表3 橋墩加固前后測試數(shù)據(jù)對比

圖8 加固前后典型橋墩及主梁測試參數(shù)對比Fig.8 Bridge test data before and after reinforcement

對比橋墩加固前后試驗數(shù)據(jù)，雖然加固后列車速度大幅提高，但橋墩加固后試驗橋墩及橋跨橫向振動明顯降低，實測橫向振幅平均值和最大值均顯著減小，尤其是沖刷最為嚴重的9#墩和10#墩減振效果最為明顯，其中10#墩橫向振幅平均值和最大值分別由0.20 mm和0.37 mm降低至0.09 mm和0.25 mm，降幅接近或超過50%。第9孔跨中橫向振幅平均值和最大值分別由0.31 mm和0.58 mm降低至0.25 mm和0.37 mm，降幅也非常明顯。

比較而言，實測橋跨跨中橫向振動降低幅度與墩頂橫向振動答題相當，實測各項動力響應參數(shù)均小于規(guī)范限值[18]。實測加固后8#墩、9#墩和10#墩的橫向自振頻率分別為64.3 Hz、69.6 Hz和71.5 Hz，遠大于沖刷最嚴重時的自振頻率(7.3～7.7Hz)，也遠大于沖刷前的數(shù)值(14.0～14.5 Hz)，大于加固計算值(24.5～27.2 Hz)。加固措施大大增加了墩臺基礎橫向剛度和自振頻率。

橋墩加固后現(xiàn)場試驗實行列車分級提速試驗，隨列車速度增加橋墩及橋跨橫向振動有逐漸增大趨勢。加固前列車速度集中在30 ～60 km/h之間，而加固后速度集中在60～80 km/h之間，橋墩加固前列車速度較低，按照一般情況下速度越高橋梁振動越大的普遍規(guī)律，若加固后列車速度也集中在45 ～60 km/h之間變化，其對應橋梁振動將會比60 km/h以上時速列車引起的振動更小，減振加固效果也更為顯著。橋墩加固前后不同速度列車作用下數(shù)據(jù)對比，在一定程度上驗證了加固效果。

4 結 論

本文開展了洪水沖刷下的重載鐵路橋梁動力響應試驗和加固技術研究，旨在探索洪水沖刷深度和列車運行對墩臺基礎及橋跨結構運營性能指標的影響規(guī)律，并開展相應加固技術和措施研究，主要結論如下。

(1) 洪水沖刷引起橋墩基礎承臺和樁基不同程度外露，導致橋墩基礎形式發(fā)生改變，墩身高度增加，整個基礎形式由低承臺基礎變成高承臺基礎，相應基礎承載能力和剛度明顯降低，尤其是橫向剛度降低最為明顯。

(2) 洪水沖刷后，橋梁結構動力響應顯著增大，橋墩振動增大直接導致主梁振動加劇，而橋墩自振頻率則顯著降低，橋墩墩頂橫向振幅和橋跨跨中橫向振幅等參數(shù)與沖刷深度和列車速度成正比關系。

(3) 提出了整體加固方法：“增補樁基法+增大基礎法”，其基本思想是同時提高基礎穩(wěn)定性和承載能力，通過靜力參數(shù)檢算、加固實施和和動力性能試驗，本方法減振加固效果顯著，可以考慮在同類型橋梁加固中推廣應用。