水位變化對(duì)跨江橋梁柱式墩、樁基礎(chǔ)的病害影響分析

郅乃榮

山西路橋第三工程有限公司 山西忻州 034000

1 因河床下切引起的水位變化概述

跨江橋梁結(jié)構(gòu)不同于陸上橋梁，尤其是下部結(jié)構(gòu)，跨江橋梁下部結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)及橋墩大部分處于水下，其工程外環(huán)境與陸上橋梁存在較大差別，因此，跨江橋梁下部結(jié)構(gòu)也伴隨著某些特殊的病害。河流河床又稱為河槽，專指河流中被水流淹沒的區(qū)域，水流河床受外界自然環(huán)境影響明顯，且伴隨河流水位漲跌處于動(dòng)態(tài)變化進(jìn)程中；在跨江橋梁工程中，因河床下切引發(fā)的河流水位異常、大幅變化是橋梁下部結(jié)構(gòu)最常見的不良工況之一[1]。由于河床下切，導(dǎo)致原河床基準(zhǔn)面下降，相應(yīng)水位也大幅變化，致使實(shí)際河流水位與設(shè)計(jì)階段存在較大差異，橋梁樁基礎(chǔ)及橋墩截面占據(jù)了部分河流橫斷面面積，改變了原始河流的徑流狀態(tài)，增加了河流流速，水流沖刷效應(yīng)被人為提升；樁基礎(chǔ)及橋墩附近的泥沙沉積物長(zhǎng)期被河水沖刷，加之水位下降因素影響，導(dǎo)致樁基礎(chǔ)及橋墩埋深不足，樁基礎(chǔ)及橋墩部分裸露于自然環(huán)境中，長(zhǎng)此以往，水平面附近裸露的樁基礎(chǔ)及橋墩逐步劣化，結(jié)構(gòu)承載能力及抗變形剛度不斷下降，最終將威脅到橋梁下部結(jié)構(gòu)的可靠度和安全性。

2 水位變化對(duì)跨江橋梁柱式墩、樁基礎(chǔ)的病害影響分析

在橋梁工程設(shè)計(jì)及施工實(shí)踐中，為了確保上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定可靠，必須保證下部結(jié)構(gòu)橋墩及基礎(chǔ)的剛度、強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，尤其是在豎向及橫向荷載耦合作用下的橋墩位移值必須在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)；但是，在涉水橋梁結(jié)構(gòu)中，由于自然沖刷及人工河床開挖等外部因素的干預(yù)，導(dǎo)致河流河床下切，進(jìn)而引發(fā)河流水平面標(biāo)高下降，由于水平面變化導(dǎo)致橋墩及基礎(chǔ)與水平面交界位置反復(fù)變化，橋墩和基礎(chǔ)在自然環(huán)境下快速劣化，其強(qiáng)度、剛度及荷載穩(wěn)定性等關(guān)鍵指標(biāo)均不同程度下降，對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的下部體系造成嚴(yán)重安全威脅[2]。以下就河流河床下切引起的水位變化對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)柱式墩的病害影響進(jìn)行分類分析，具體如下：

2.1 橋墩混凝土結(jié)構(gòu)開裂病害

以公路橋梁中常見的柱式墩組合結(jié)構(gòu)為例，在涉水橋梁中，柱式墩因河床下切引起的病害大部分集中在樁基礎(chǔ)上，但橋墩混凝土開裂是柱式墩最常見、最高發(fā)的病害之一。因河床下切，導(dǎo)致水平面標(biāo)高變化顯著，在橋墩系梁以上附近會(huì)出現(xiàn)若干沿著橋墩截面環(huán)向分布的圓弧裂縫，通過分析大量涉水橋梁工程案例發(fā)現(xiàn)，環(huán)向開裂一般多發(fā)于背向橋臺(tái)一側(cè)，屬典型的荷載開裂；主要原因是因河床下切，河水流速及沖刷形式被迫改變，進(jìn)而影響橋墩原有的受力平衡，橋墩內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，一旦應(yīng)力超過混凝土材料抗拉強(qiáng)度，必然造成環(huán)向拉裂，最終影響橋墩混凝土結(jié)構(gòu)的剛度和完整性。

2.2 樁基礎(chǔ)混凝土持續(xù)劣化病害

基礎(chǔ)是河床下切引發(fā)下部結(jié)構(gòu)病害的重災(zāi)區(qū)，由于河床下切導(dǎo)致河水水位下降，原浸沒于水中的樁頂完全暴露于自然環(huán)境中，樁基礎(chǔ)混凝土由于所處自然環(huán)境發(fā)生突變，在長(zhǎng)期水流沖刷影響下，導(dǎo)致樁頂混凝土劣化進(jìn)程加速，混凝土耐久性持續(xù)下降。樁基礎(chǔ)混凝土能夠保護(hù)樁基礎(chǔ)鋼筋骨架，以確保樁基礎(chǔ)承載能力滿足上部結(jié)構(gòu)及橋墩要求，一旦保護(hù)層混凝土劣化，勢(shì)必會(huì)削弱其對(duì)鋼筋骨架的保護(hù)能力，嚴(yán)重情況下將造成樁頂鋼筋裸露，承臺(tái)有效截面減小，嚴(yán)重破壞樁基礎(chǔ)的抗壓及抗彎承載性能；此外，原施工過程中出現(xiàn)的鋼筋骨架定位不精準(zhǔn)、樁基礎(chǔ)局部脫空等病害也將因河床下切引起的水平面下降問題而被放大，由于鋼筋骨架定位偏差，樁基頂部附近存在脫空病害，在沖刷加劇作用影響下，對(duì)應(yīng)位置混凝土病害進(jìn)程明顯更快，劣化程度更高，對(duì)應(yīng)位置鋼筋的銹蝕程度也越嚴(yán)重。

2.3 樁基礎(chǔ)鋼筋骨架銹蝕災(zāi)變

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕災(zāi)變是最終影響下部結(jié)構(gòu)承載能力劣化的根源和關(guān)鍵，也是因河床下切引發(fā)的下部結(jié)構(gòu)病害中最嚴(yán)重的一種。鋼筋骨架由于失去混凝土保護(hù)層的保護(hù)，導(dǎo)致鋼筋骨架被暴露于自然環(huán)境中，部分處于保護(hù)層內(nèi)的鋼筋因氯離子滲透作用，導(dǎo)致鋼筋不同程度銹蝕，銹蝕后體積膨脹，在銹脹應(yīng)力的作用下，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開裂；鋼筋銹蝕一方面破壞了鋼筋的有效截面積，直接影響了鋼筋的實(shí)際應(yīng)力大小，此外，因局部不均勻銹蝕造成的應(yīng)力集中問題很容易導(dǎo)致鋼筋脆斷，造成嚴(yán)重惡性事故；另一方面，鋼筋銹蝕后，鋼筋與混凝土之間的握裹力下降，二者協(xié)同受力及變形的能力被削弱[3]。

3 針對(duì)沖刷病害的常用加固技術(shù)概述

對(duì)于采用樁基礎(chǔ)的涉水橋梁結(jié)構(gòu)，不論是摩擦樁還是端承樁，河床下切均會(huì)引起樁基礎(chǔ)承載能力和剛度下降，對(duì)于存在因河床下切引起的水位變化而導(dǎo)致的下部結(jié)構(gòu)病害情況，必須采取必要的加固補(bǔ)強(qiáng)措施，以滿足橋梁后續(xù)的服役要求。本文簡(jiǎn)要介紹微型樁在加固中的應(yīng)用，微型樁加固技術(shù)原理與主梁增大截面法原理類似，通過強(qiáng)化截面剛度和強(qiáng)度，從而起到加固補(bǔ)強(qiáng)的作用，微型樁樁徑小于普通樁基礎(chǔ)，且受力結(jié)構(gòu)非局限于鋼筋骨架，可用鋼管或其它型鋼代替；在原柱式墩周圍澆筑外包混凝土，以擴(kuò)大原下部結(jié)構(gòu)有效截面積，待混凝土強(qiáng)度形成后，在混凝土上鉆孔增設(shè)微型樁，微型樁樁底需鉆入基巖內(nèi)，且入巖深度不小于1m，通常情況下，微型樁采用等間距布置，樁間間距根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況確定。相較于其它加固技術(shù)，微型樁加固技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)施工效率更高、所需的作業(yè)空間更小、施工技術(shù)難度較低；此外，微型樁結(jié)構(gòu)作用于新增加的外包混凝土結(jié)構(gòu)中，不會(huì)過渡擾動(dòng)原下部結(jié)構(gòu)，故對(duì)地基施加的附加應(yīng)力值較低。當(dāng)前，微型樁加固處治技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在因水位變化引起的樁柱病害處治領(lǐng)域中，并取得了良好的工程反饋。

4 結(jié)語

由于自然沖刷和人工開挖等因素影響，河床下切問題尤為普遍，因河床下切引起的水位變化已經(jīng)給橋梁下部結(jié)構(gòu)造成了巨大的安全威脅；本文在明確了因河床下切導(dǎo)致的水位變化對(duì)跨江橋梁柱式墩及樁基礎(chǔ)病害影響程度及類型的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)微型樁加固技術(shù)進(jìn)行了闡述，從而深化了對(duì)病害控制和加固的認(rèn)識(shí)。