甘肅省濕陷性黃土地區橋涵設計與思考

張榮榮，張精兵

1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056

2.荊州市公路學會，湖北 荊州 434000

甘肅省地處黃土高原的西部，黃土分布面積約12萬km2，占全國黃土分布面積的1/5，區域內黃土分布具有面積廣、厚度大、地貌類型多樣、濕陷性強烈的特點。由于對甘肅省黃土地區的地質條件特性認識不足，建設于濕陷性黃土路段的橋涵經常會出現墩臺基礎沉降、橋頭跳車甚至橋墩傾覆等病害，從而嚴重影響橋梁結構的安全性和正常使用性能，因此必須根據各類病害產生的原因提出針對性的處理措施。

1 濕陷性黃土地區橋涵常見病害及成因

通過對甘肅省近年來多條高速公路施工及養護管理中發現的問題進行歸納，濕陷性黃土地區橋梁的病害主要有以下五類：

（1）墩臺基礎。黃土沖溝路段由于水流的沖刷作用，基礎頂面的填土易掏空、沉陷或垮塌，造成承臺、樁基外露，樁身自由長度增大，下部結構的整體穩定性及樁基承載力降低；特別是位于陡坡上的基礎，若樁長設計過程中未考慮充足的安全襟邊，則可能會出現墩臺岸坡失穩、橋梁垮塌的風險。

（2）上部結構。該部位的病害主要集中在現澆箱梁上，現澆箱梁在施工過程中往往需要搭設滿堂支架，雖然箱梁澆筑之前會對支架進行預壓，但支架預壓后土層易受到雨水等外部因素的影響導致不均勻沉降，箱梁在附加應力作用下出現裂縫等病害，在黃土厚度以及濕陷性等級較大路段甚至會出現支架垮塌。

（3）錐坡防護損壞。該病害的原因主要為黃土受水流沖刷導致錐坡基礎外露，以及錐坡基底黃土濕陷性處理不當導致錐坡發生沉降。

（4）橋頭跳車。由于橋臺一般采用樁基礎，橋臺臺背是剛性和柔性的過渡段，構造物與路基會出現較大的沉降差從而導致橋頭跳車，該病害幾乎是不可避免的，在黃土地區該病害尤其突出。主要原因表現如下：①橋頭路基及錐坡地基處理不足時，黃土地基的相對承載力更低、壓縮變形更大；②路面滲水、臺后排水不暢，造成路面水滲入臺后路基，路基土含水量增大，地基承載力降低、黃土濕陷性沉降。橋頭跳車通常伴隨伸縮縫、護欄損壞等病害。

（5）涵底沉降。黃土地基在干燥情況下承載力較大，但施工期若為雨季或農田灌溉季節，開挖基坑時易滲水，基底黃土層遇水濕陷，承載力降低，不滿足承載力設計要求，最終導致涵洞發生沉降。

2 濕陷性黃土地區橋涵設計要點

針對建設于黃土地區的橋涵，為減少上述常見病害的發生，在設計階段可從以下五個方面對設計方案進行優化。

（1）加強橋址區地質勘察調查工作。在前期外業勘察階段，應根據《甘肅省黃土地區高速公路路基設計指南》確定項目所在地工程地質分區，了解區域地形地貌、黃土分布厚度、物理力學性質、濕陷特性、路基濕陷病害以及氣候特征。結合區域黃土力學特性，合理布設橋梁鉆孔，建議在橋臺位置及沖溝底部應設置鉆孔，通過室內試驗計算出黃土的濕陷厚度、濕陷系數、負摩阻力等指標。加強對橋址區不良地質現象如黃土陷穴、崩塌、滑坡等的調查，分析該地質現象出現的原因及對橋涵布設可能存在的影響，初步擬定相應的處理措施。

（2）合理布置橋跨。橋梁跨越沖溝時原則上應盡量調整跨徑避免在溝底或覆蓋層較厚的陡坎上設墩，防止溝底沖刷或岸坡垮塌對下部結構的穩定性帶來影響。例如，受跨徑橋長這一因素的制約需要在陡坎上設墩，加強墩位處的防護設計，明確刷坡高度臺階，對邊坡增設防排水、綠化措施，樁基設計時考慮一定范圍的安全襟邊，適當增加樁長。挖方路段橋梁布跨應盡量減少對山體的開挖，正常路段橋梁應深入挖方路段，橋臺采用柱式臺。當橋梁與隧道相接且洞口地質條件較差時，橋梁的布設應盡量緊貼山體，減少對山體的開挖，橋臺考慮重力式+樁基礎形式，同時應加強與隧道專業的對接。陡坡段墩臺防護措施如圖1所示。

圖1 陡坡段墩臺防護措施（單位：m）

（3）選擇合適的結構形式。濕陷性黃土地段變寬或曲線橋梁結構形式不應只采用現澆箱梁結構，應分析橋址處的水文、地形、地質及填方高度情況，并考慮工程的可實施性綜合進行選用。對于填方較高的橋梁，若采用現澆，則支架的基礎需要打樁施作，基礎的施工周期以及預壓周期較長，且高空作業風險較大，同時縱斷面線高低參差不齊，施工支架需平整開挖，施工對環境破壞較大，開挖較多。對于此類情況建議采用預制吊裝結構，通過調整橋梁整體寬度或濕接縫寬度達到線型調整的目的。黃土地區橋梁應減少橋臺處填土高度，減小臺后土壓力對樁基的水平推力，橋臺結構以肋板臺、板凳臺或柱式臺為主，墩臺基礎置于濕陷性較小的土層內，樁長計算應考慮黃土的負摩阻力作用。對于涵洞，由于黃土地區地基承載力較小，結構宜采用鋼波紋管涵、鋼筋混凝土箱涵或鋼筋混凝土蓋板涵，不宜采用拱涵。為減小基底應力并防止滲水，蓋板涵一般采用整體式基礎。

（4）加強對濕陷性黃土地基的處理。結合病害調查可知，黃土地區橋涵典型病害多是因為黃土遇水沉陷引起，若從源頭上通過一定的措施消除黃土的濕陷性則能有效地降低上述病害的發生。橋梁設計過程中應按路基處理措施對橋臺錐坡底原地面進行處理，常用的措施有換填墊層、沖擊碾壓、重錘夯實、強夯、灰土擠密樁等措施，應根據黃土的濕陷性等級、處理深度、地下水位、填土高度合理地選用處理措施。根據工程經驗，針對濕陷性等級I～III級、處理深度8m以下的黃土地基，推薦在對原地面進行沖擊碾壓或強夯處理后施作灰土墊層，墊層兩側設置灰土隔水墻，橋涵臺背施工按1∶2挖臺階處理，臺背和錐坡采用石灰土、水泥土等改良細粒土或沙礫等粗粒料進行填筑，每1.2m用液壓夯補強一次。濕陷性等級較高路段的橋涵臺背可考慮設置灰土擠密樁、CFG樁等措施加強基底處理。對經常流水、浸濕可能性大或濕陷等級較高路段的涵洞可考慮設置鋼筋混凝土樁基礎。橋梁臺背處理示意圖如圖2所示。

圖2 橋梁臺背處理示意圖（單位：m）

（5）增強防排水措施處理。黃土濕陷的另一個主要因素是地表水的侵入，為防止地表水下滲，設計時應考慮對路線周邊影響施工及運營的坑洞、陷穴進行回填、整平處理，保證水流通暢，并做好周邊的截排水設施。對于橋梁結構，可通過對橋頭一定范圍內的路基邊坡及橋梁錐坡設置混凝土護坡防止雨水下滲，路基邊溝水可通過設置排水溝、急流槽引至橋梁范圍以外；承臺開挖的基坑可采用石灰土回填；橋面徑流應采用塑料排水管收集并排至地面排水設施，防止雨水濺落至溝岸時形成新的陷穴。對于箱涵、圓管涵等節段施工的結構，應加強沉降縫的防滲及耐久性設計，兩側洞口應進行混凝土鋪砌，洞口處地基應按路基方案進行處理，防止涵洞基底被掏空，涵洞口兩側路堤迎水面邊坡應設置浸水護坡，坡面防護高位應為設計水位+50cm且不低于涵洞頂面高程。

3 結束語

對于建設于濕陷性黃土地區的橋涵結構，首先應通過地勘及外業調查，了解區域內濕陷性黃土對結構物可能帶來的不利影響，然后通過橋跨布置、結構形式選擇、地基加固處理、防排水處理等措施，同時結合當地工程經驗并考慮方案的經濟性，經充分研究后決定最終的設計方案，以確保橋涵結構的穩定性和耐久性。