濕陷性黃土地區公路橋梁病害形式及機理分析

張宏杰

（中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

近年來，隨著我國經濟的迅猛發展，大量基礎交通設施開始建設，公路作為帶動經濟發展的重大基建項目已得到優先發展。與一般地質條件相比，黃土地區公路橋段的建設難度較大。如果不能預先了解公路橋梁可能出現的病害及機理，可能導致設計返工、工期推遲、經濟財產損失等，嚴重的甚至會造成重大安全事故[1]。目前國內外學者也針對黃土地區公路橋梁隧道的病害展開了一些研究，如楊凱[2]依托甘肅隴東黃土地區公路橋梁，對其病害形式進行了調查，并利用理論計算與數值模擬相結合的手段，分析了黃土地基侵蝕對剛性擴大基礎穩定性及上部結構受力狀態的不利影響，并提出了相應地養護技術。祝和權等[3]結合歷年工程經驗及參考文獻，對公路橋梁發生病害出現的原因進行了綜述，并認為橋梁病害的出現不僅受結構損傷的影響，還與混凝土材料的性能劣化和鋼筋銹蝕密切相關，并提出了從材料性能劣化入手，對橋梁病害進行病害評估的新理念。因此，為了提高我國黃土地區的公路橋梁整體建設水平，研究其主要病害形式及機理具有十分重要的工程意義。

1 濕陷性黃土特點及依托工程病害調查

1.1 濕陷性黃土特點

由于黃土是一種形成于干旱氣候條件下的呈淡黃色或黃褐色的風成沉積物，常為非飽和狀態，具有大孔隙、垂直節理發育、濕陷性、水敏感性、沉積層理不明顯等典型的工程特征[4]。再加上黃土獨特的物質組成、結構及其所處的地貌和構造環境，如果在切割強烈、地形起伏較大的黃土溝壑和塬、梁區修建高速公路橋梁，會受到一系列技術要求和條件限制，為了提高其建設水平，必須對濕陷性可能造成的橋梁病害類型及機理展開深入地分析。

1.2 項目簡介

文章依托項目為某黃土地區高速公路沿線各大橋，橋位區屬侵蝕低中山地貌，地形凹凸不平，沖溝發育，橋位區范圍內中線地面高程980～1030m，最大相對高差48m，交通條件較差。橋梁交角90°，橋型布置為預應力混凝土小箱梁，橋梁各分跨線均徑向布置。該場地范圍內的黃土在降雨、地下水、氣候變化等因素的影響下，發生了一定的濕陷性變形，導致橋梁基礎產生沉降，而基礎沉降又對橋梁結構的受力狀態產生一定程度的影響，從而使得橋梁結構出現了嚴重病害。

1.3 公路橋梁病害調查

橋梁病害的概念主要指橋梁結構在建設及運營期間，在各種外界不利因素或內在因素的干擾下，出現危及橋梁結構的安全性和耐久性的所有變異現象。文章針對該大橋展開了病害調查，調查的橋梁部位主要有梁體、錐坡、平臺、河床、橋墩橋臺、橋頭等，存在的病害主要有梁體位移、橋臺裂縫沉降、橋面下沉、下部脫空、橋頭跳車等，各種病害的數量及發生位置如表1所示。

表1 公路橋梁病害調查結果匯總

2 黃土地區橋梁病害形式及成因分析

由于公路橋梁結構類型復雜、荷載作用的不確定性，施工材料性能的不連續性等原因，橋梁病害的種類劃分方法十分復雜。文章結合相關參考文獻的統計資料，并根據黃土地區橋梁病害發生位置及原因的不同，將橋梁病害劃分為上部結構病害、下部結構病害、橋面系病害、橋頭跳車四大類，具體劃分方法如圖1所示。

圖1 黃土地區公路橋梁病害形式劃分

2.1 上部結構病害

黃土地區公路橋梁的上部結構病害的出現主要是因為橋梁基礎由于黃土濕陷而發生沉降，使墩臺出現位移，一般表現為墩臺沉降、傾斜、梁體位移、梁體裂縫等形式。同時，墩臺的橫向傾斜可能引起梁體撞擊擋塊，使得擋板發生破裂。墩臺的縱向傾斜會使梁體應力分布和線形出現變異，從而導致主梁下撓、裂縫等病害。

2.2 下部結構病害

（1）剛性擴大基礎。如果公路橋梁所采用的基礎為剛性擴大基礎，其下部結構病害主要有基礎沉降、基礎滑移、基礎沖刷等。各種病害的特點及機理如下：①基礎沉降。在強降雨作用下，雨水未能沿著橋面排水設施及時排出，會使未經處理或處理不完全的黃土地基因其濕陷而產生一定程度的沉降，且黃土地基的強度參數因含水量增加而降低會加劇地基沉降。同時，隨著黃土地基沉降的增加，橋梁剛性擴大基礎也發生沉降。如果剛性擴大基礎的底部土體性質差異性較大（壓縮系數不一致），將會導致基地出現不均勻沉降。②基礎滑移。濕陷性黃土地區公路橋梁橋臺的墻前填土會因流水沖刷而出現流失現象，從而使得橋臺的抗滑移能力不斷減小，在臺后填土主動土壓力的作用下，抗滑移安全系數不滿足要求而出現基礎滑移病害。③基礎沖刷。在降雨、地下水、河流等因素作用下，基礎周圍土體往往會遭受水流沖蝕，從而導致剛性擴大基礎的基底慢慢被侵蝕掏空，使得黃土地基承載力降低并引發去其他病害。

（2）樁基礎。如果公路橋梁所采用的基礎為樁基礎，則主要有樁基外露、樁基撓曲、鋼筋銹蝕、樁基不均勻沉降等下部結構病害。各病害出現的原因主要在于：①樁基外露。布置在沖溝和河道中的樁基礎在雨水沖蝕下會使樁基礎周圍土體流失，或樁基礎防護措施較差，都會導致樁基外露病害。②樁基撓曲。如果黃土發生濕陷性變形，則土層可能出現塑性流動，土體流動產生的水平側向力作用作用在樁基上會使其出現撓曲變形。當水平側向力超出水平承載力極限，甚至可能引起樁基礎剪切破壞（斷樁）。③樁基不均勻沉降。黃土濕陷固結期間會在樁基礎周圍產生負摩阻力，負摩阻力不僅不能抵抗樁基沉降，還會使施加在樁基礎上的外荷載加劇導致其沉降變形。這樣會使同一承臺下各個樁基變形不相同，從而導致樁基的不均勻沉降，甚至承臺斷裂。

2.3 橋面系病害

黃土地區公路橋梁的橋面系病害主要包括橋面下沉、橋面上撓和橋面鋪裝裂縫等，一般橋面下沉出現在簡支梁橋，而橋面上撓容易出現在大跨度橋梁。此外，橋面鋪裝裂縫的出現往往是因為基礎沉降引起梁體單側或雙側橋臺出現沉降，從而使與梁連接處的橋面出現橫向裂縫。

2.4 橋頭跳車

黃土地區公路橋梁如果出現橋頭跳車病害，不僅會導致行車的舒適感降低，還會使得車輛大幅度減速，嚴重時可能出現安全事故。橋頭跳車出現的根本原因是橋面和路基之間存在不均勻沉降，影響因素主要體現在局部沉降、臺背填料等。

（1）局部沉降。公路橋梁結構一般為剛性構件，壓縮模量較大，變形量小。而黃土地基屬于柔性材料，壓縮模量較小，變形量大。因此，在反復車輛荷載作用下，黃土地基被壓縮，橋頭搭板容易出現變形甚至斷裂（受力體系改變），橋梁結構和路基之間出現不均勻沉降。與此同時，在黃土地基降雨、地下水等因素的影響下，發生濕陷性固結變形，增大橋梁結構和路基之間的不均勻沉降，加劇了橋頭跳車病害。

（2）臺背填料問題。黃土地區公路橋梁在進行臺背回填時，一般選擇滲透性較大的碎石、砂礫等材料。但是因為這類臺背回填材料的孔隙比大，在外界各種不利荷載的影響下，填料的孔隙率會不斷降低，提高了臺背填料的密實度，導致橋梁結構和路基之間出現不均勻沉降。為了解決這一問題，可以采用質量較輕、性能好的氣泡混合輕質土來進行橋梁的臺背回填，如圖2所示[5]。

圖2 橋頭路基換填混合輕質土（cm）

3 結束語

文章針對某土地區高速公路沿線橋梁進行了病害統計，并開展了病害分類、病害形式及機理研究等作業，主要得到以下結論。

（1）黃土地區橋梁病害發生位置及原因的不同，可以將橋梁病害劃分為上部結構病害、下部結構病害、橋面系病害、橋頭跳車四大類。

（2）公路橋梁的上部結構病害一般表現為墩臺沉降、傾斜、梁體位移、梁體裂縫等形式。

（3）如果公路橋梁基礎為剛性擴大基礎，其下部結構病害主要有基礎沉降、基礎滑移、基礎沖刷等形式。如果采用的基礎為樁基礎，則主要有樁基外露、樁基撓曲、鋼筋銹蝕、樁基不均勻沉降等下部結構病害。

（4）橋頭跳車出現的根本原因是橋面和路基之間存在不均勻沉降，影響因素主要體現在局部沉降、臺背填料等，可以通過設置橋頭搭板或選用質量較輕、性能好的氣泡混合輕質土來進行橋梁的臺背回填。