基于下臥軟土斜坡的橋臺變形綜合監測及治理分析

■申曉彤

(福建省交通安全質量監督局，福州 350001)

1 前言

經多年運營，國省干線聯六線某大橋橋臺處出現混凝土開裂、掉塊、橋梁支座錯位、橋臺土體隆起等工程病害(見圖1～2)。該大橋梁跨越河溝及省道，場區屬剝蝕微丘及沖海積平原地貌，6號臺靠近山側，坡體殘坡積土，下伏花崗巖及其風化層；0號厚層軟土。兩側橋臺及橋墩采用樁基礎，以中風化花崗巖為基礎持力層。上部構造采用5×25mPC連續T梁橋，橋梁全長129m。下部構造橋墩采用柱式墩、基礎為樁基；橋臺為肋臺配樁基礎。

為了及時了解和掌握橋臺動態變形發展情況，為治理措施提供依據，對大橋橋臺及軟土深層變形進行綜合監測。

圖1 現場工程病害(橋臺開裂、支座滑移)

圖2 現場工程病害(橋臺變形懸空)

2 綜合監測方法及設備

2.1 監測方法

2.1.1 橋臺及墩柱位移監測

根據結構物特征設計布置48個位移監測點，分別在左右幅6號橋臺、左右幅0號橋臺及左右幅5號墩柱、左右幅1號墩柱上。選擇粘貼反光片的方式進行布置監測點(如圖3)。通過全站儀對監測點的坐標變化情況進行測量，監測橋臺及墩柱位移。

圖3 現場位移監測點布置圖

2.1.2 傾角監測

臺背位置為填方路基，路基填筑施工可能會對附近橋臺產生影響，利用傾角儀測試法監測可以及時反饋橋臺及墩柱受到的影響情況。設計布置了18個傾角監測點，左幅6號臺、左右幅5號墩柱、左右幅0號臺、左右幅1號墩柱分別布置兩個，右幅6號臺布置了4個，如圖4所示。

(1)傾角儀測試法主要工作原理

將固定式傾角儀安裝在橋梁結構物上，當結構物發生變形，傾角儀可以測量出結構物相對于重力軸線的傾角，使用安裝位置的幾何尺寸，就可以推算出結構物監測點位移情況。

(2)測量及安裝方法

固定式傾角儀安裝通過膨脹螺栓直接固定到結構體上，也可以在結構體上先搭建一個平臺，使用三角支架和鐵板，傾角儀再固定到平臺上。現場可通過電腦使用相關軟件直接進行測試，利用電腦接觸的RS485轉換器測量。

圖4 現場傾斜計監測點

2.1.3 深層土體水平位移監測

由于淤泥土抗剪強度低，隨著荷載的施加，淤泥層有可能在荷載作用下發生剪切破壞而側向擠出，從而導致地基失穩。埋設測斜管可監測軟土層在荷載作用下不同深度處的側向變形情況。

(1)儀器設備

采用由測斜探頭、讀數器和測斜管組成的測斜系統進行。測斜管是一種可精確地測量沿垂直方向土層或圍護結構內部水平位移的工程測量儀器，擬采用目前廣泛應用的高精度測斜管(規格 70，外徑：φ70，內徑：φ59，導槽寬：5.4，導槽深：2，管長：2m 或 4m，壁厚偏差：≤14%，導管扭角：≤0.2°/m)。

測斜管的工作原理是根據擺錘受重力作用為基礎測定以擺錘為基準的弧角變化，從而計算土體在不同高程的水平位移。當土體產生位移時，埋入土體中的測斜管隨土體同步位移，測斜管的位移量即為土體的位移量。一般先在土體中埋設一豎直、互成90°的4個導槽的PVC測管，測管在土體中受力變形，將測斜儀探頭放入測斜管導槽內，放入測斜管內的活動測頭，每間隔一定距離測出的量是各個不同分段點上測斜管的軸與垂直線的夾角傾角變化 ΔXi， 而該段測管相應的位移增量 ΔSi為：ΔSi＝Li·SinΔXi，式中Li為各段點之間的單位長度。測得各分段位移后，可由測斜管底部或頂部為基準開始累加，求得任一高程處的實際位移數值。

當測斜管埋設的足夠深時，管底可以認為是位移不動點，管口的水平位移值Δn就是各分段位移增量的總和：

在測斜管兩端都有水平位移的情況下，需要實測管口的水平位移Δ0，并向下推算各測點的水平位移值Δ，即：

測斜管可以測單向位移，也可測雙向位移。

(2)布設方法

用鉆探成孔法鉆孔至設計孔深，要求測斜管嵌入軟土下相對穩定層不小于2m，以作為嵌固端。在清干凈孔內淤泥后，放入測斜管，管側用細砂等材料回填，且充填物的變形模量介于槽管和周圍土層之間，如圖5。

圖5 測斜管測量原理及埋設示意圖

(3)測量方法

測量時，將活動式測頭放入測斜管，使測頭上的導向滾輪卡在測斜管內壁的導槽中，沿槽滾動，活動式測頭可連續測定沿測斜管整個深度的水平位移變化。

(4)監測資料的整理、分析

根據觀測數據繪制位移-深度曲線。繪制時以孔底為基準點，并分析不同土層間的水平相對位移，計算土層不同深度的側向位移及其位移速率，分析其潛在破壞面和穩定性。本次監測共設計布置22個測斜孔。

2.2 監測設備

監測工作所使用的儀器設備見下表1：

表1 儀器設備概況表

3 現場監測情況及數據分析

3.1 現場監測情況

按處理方案進行綜合整治后，于2017年9月6日至2017年9月25日間再進行第二階段工后效果監測。

3.2 橋臺變形處治前監測及數據分析

布置在橋臺及墩柱各監測點的縱向位移較小，未見明顯發展。

水平位移監測結果顯示：6#承臺上各位移監測點的位移有發展，最大累計水平位移量8.1mm(監測點WZ6-4，左幅6#承臺(蓋梁))；0#承臺監測數據顯示本階段位移有發展，最大累計水平位移量5.5mm(監測點WZ0-1，左幅0#承臺(蓋梁))。通過對布置在6#、0#橋臺上的位移監測點的監測數據總體分析，各位移監測點數據顯示位移發展趨勢是由6#橋臺向5#橋墩的方向。

(1)測點位移監測結果分析：由于橋臺卸載，加上原橋臺已位移較大(伸縮縫已基本達位移極限)，目前變形量已較小。但如不及時處理，結構次應力加劇，結構破壞不可預見。

(2)各傾角監測點數據顯示：本階段各傾角監測點的傾角數據有存在波動情況，6#承臺傾角監測點QZ6-2(左幅 6# 承臺)、QZ6-5(左幅 6# 承臺)、QY6-1(右幅 6# 承臺)、QY6-4(右幅6#承臺)的傾角存在變形發展，傾向朝向橋梁方向。QZ6-5(左幅6#承臺)的傾角最大，最大傾角為540"。

(3)傾角儀監測結果分析：該監測數據僅作為總體變形趨勢分析。橋梁承臺傾角有所變形，且左幅較大，說明左幅墩柱及橋臺仍在受力，變形有所發展。

由表1可知，相對原生產菌株，新菌株的種曲孢子數平均降低14.6%，圓盤制曲成曲孢子數平均降低46.29%，同時中性蛋白酶提升38.46%，谷氨酰胺酶提升18.25%，淀粉酶方面表現出了明顯的優勢，與篩選時的結果一致，論證了該菌株在制曲質量方面的突出優勢。

(4)深層水平位移監測數據顯示：深層水平位移監測孔 A1、A2、A3(布點位置：右幅 6# 承臺(臺背))淺部土體范圍水平位移仍在發展；深層水平位移監測孔A6(布點位置：右幅6#承臺橋下)距孔口約7.5m深度范圍位移有發展；深層水平位移監測孔B15(布點位置：左幅6#承臺橋下)距孔口約9m深度范圍位移有發展。

(5)深孔位移監測結果分析：由于埋置時間較短，目前主要反映位移發展的深度位置，位移量較小。各項監測數據結果顯示6#承臺仍存在著變形發展趨勢，整體處于不穩定狀態。

監測數據及曲線詳見圖7～10。

3.3 橋臺變形原因分析

根據深孔位移監測鉆孔顯示，綜合所有監測數據及現場變形情況，初步分析橋臺變形主要原因：6#臺靠近山體，從6#臺往5#墩方向軟土由薄變厚，軟土厚度從2.3m變厚至11.4m，即軟土存在下臥硬層斜面，在高填方荷載作用下，軟土發生蠕移，進而引起結構變形。

圖6 綜合監測點布置示意圖

3.4 針對橋臺變形的綜合處治方案

針對現場情況結合對監測成果的分析，為保證橋臺地基及橋梁結構的穩定安全，采取以下措施進行處理：

(1)左右幅 6#承臺周邊與5#墩柱之間采用3排攪拌樁施工，形成帷幕，限制該段深層土體的側向移動。

(2)對6#承臺與橋下下穿公路之間緩坡反壓。

(3)臺背后路基填方采用輕質泡沫混凝土填筑，減小路基填土自重對承臺的側向土壓力。

(4)已出現的病害情況，6#承臺上部蓋梁結構部分重筑，承臺進行計算并加固補強。

(5)加大監測周期，并結合現場施工處理情況針對性進行監測。

3.5 橋臺變形處治后監測數據對比分析

布置在橋臺及墩柱各監測點的縱向位移未見明顯發展，處治后變形已趨穩定，如圖7所示。

圖7 右幅6#承臺縱向位移量-時間曲線圖

(1)水平位移監測結果顯示：6#承臺上各位移監測點本階段的位移發展程度較小，最大累計水平位移量為9.1mm；0#承臺監測數據顯示本階段位移未見明顯發展，最大累計水平位移量為4.8mm。處治后變形已趨穩定(見圖8)。

圖8 右幅6#承臺水平向位移量-時間曲線圖

(2)各傾角監測點數據顯示：本階段各傾角監測點的傾角數據有存在波動情況，處治后變形已趨穩定(見圖9)。

(3)深層水平位移監測數據顯示：深層水平位移監測孔 A1、A2、A3(布點位置：右幅 6# 承臺(臺背))本階段由于施工處理原因管口以下3m左右均有破壞，管口數據有波動，深部土體未見位移發展；本階段大部分位移監測孔呈土體蠕動變形狀態，處治后變形已趨穩定(見圖10)。

圖9 右幅6#承臺傾角-時間曲線圖

圖10 深層土體水平位移-深度-時間曲線綜上所述，處治后基本達到預期效果。

4 結論

(1)通過深孔測斜鉆孔地層分析，結合監測數據及現場變形情況，初步分析橋臺變形主要原因：6#臺靠近山體，從6#臺往5#墩方向軟土由薄變厚，軟土厚度從2.3m變厚至11.4m，即軟土存在下臥硬層斜面，在高填方荷載作用下，軟土發生蠕移，進而引起橋臺結構變形。。

(2)通過對綜合監測數據分析，確定橋臺結構變形原因，制定有效的綜合治理方案，并以監測及驗證處理效果，實踐證明是有效可行的，為類似工程提供參考。

(3)橋臺傾角監測作為一種新監測方案，還存在一定爭議，但因本橋臺搶險工程的特殊性，治理后運營良好，還需結合橋臺墩柱結構的變形及受力機理，對該監測數據作進一步研究。