淺基礎(chǔ)橋梁安全性評價(jià)及加固分析

郭瑞雪

摘要 隨著我國基建事業(yè)的迅速發(fā)展，橋梁建設(shè)技術(shù)得到了較大提升。我國橋梁建設(shè)中，混凝土橋梁應(yīng)用最廣泛。但隨著橋梁使用年限的增長，結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)不同程度病害，影響橋梁的通行能力甚至導(dǎo)致橋梁的安全性不足。針對該現(xiàn)象文章對橋梁加固進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容有：淺基礎(chǔ)橋梁安全性評價(jià)、淺基礎(chǔ)橋梁加固方法、通過實(shí)際工程對淺基礎(chǔ)橋梁加固效果進(jìn)行分析。通過以上內(nèi)容研究，為橋梁加固提供可靠的依據(jù)和理論分析方法。

關(guān)鍵詞 淺埋基礎(chǔ);基礎(chǔ)加固;沖刷;加固措施

中圖分類號 U446;U445.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）02-0102-03

0 引言

我國對橋梁加固的分析研究起步較晚，研究初期，通過大量的試驗(yàn)和工程實(shí)踐，積累了一些經(jīng)驗(yàn)，使橋梁加固事業(yè)在我國開始取得成就。黃建鋒[1]通過破壞試驗(yàn)證明：通過增大截面加固橋梁，能夠提高結(jié)構(gòu)自身的承載能力。王元棟[2]通過改進(jìn)增大截面法來研究橋梁的受力狀態(tài)，結(jié)果表明該方法可提高斜截面的抗剪強(qiáng)度。王文煒[3]通過分析表明：行車荷載下，通過碳纖維布對橋梁進(jìn)行加固，可有效提高橋梁的抗彎承載能力。張延年[4]通過試驗(yàn)分析表明：粘貼碳纖維布可以提高橋梁的抗彎能力，以及屈服后梁的剛度。通過以上學(xué)者研究，橋梁加固項(xiàng)目取得了一定的成績，但該課題的研究還有一定空間。

淺埋基礎(chǔ)橋梁結(jié)構(gòu)較為簡單，最容易受基礎(chǔ)沖刷產(chǎn)生結(jié)構(gòu)病害，淺埋基礎(chǔ)在多因素影響下，造成承載力和耐久性下降，該文主要以層次結(jié)構(gòu)法分析淺埋基礎(chǔ)病害。

1 淺基礎(chǔ)橋梁安全性評價(jià)

橋梁安全性的評價(jià)主要包括橋梁承載能力、橋梁耐久性和橋梁適用性的評定，且各個(gè)性能相互關(guān)聯(lián)。

對橋梁承載能力評定主要是通過對橋梁的剛度、強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià)，保證橋梁滿足交通荷載的需求以及未來交通量的需求。對橋梁的承載能力進(jìn)行評定時(shí)，需將橋梁的結(jié)構(gòu)體系作為研究對象，通過有限元模型分析，得到實(shí)際承載能力。

1.1 外觀檢查

橋梁運(yùn)營時(shí)，主要受荷載及環(huán)境變化的影響，結(jié)構(gòu)性能和承載力不斷發(fā)生變化。因此應(yīng)對橋梁的外觀進(jìn)行檢查，主要內(nèi)容包括：對橋梁各部件缺損程度進(jìn)行評價(jià)，對損害嚴(yán)重構(gòu)件進(jìn)行評分，對橋梁進(jìn)行等級評定。

1.2 計(jì)算指標(biāo)

橋梁進(jìn)行安全性評價(jià)時(shí)，不僅應(yīng)對橋梁外觀進(jìn)行評價(jià)，還應(yīng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。主要計(jì)算指標(biāo)為橋梁承載能力、應(yīng)力狀況、荷載作用下的變形及裂縫寬度。

2 淺基礎(chǔ)橋梁加固方法

2.1 墩臺基礎(chǔ)加固措施

橋梁墩臺基礎(chǔ)加固的最常用方法有：基礎(chǔ)擴(kuò)大加固、補(bǔ)打加強(qiáng)樁體法、噴漿加固周邊地基、地基加固夯實(shí)法等;墩柱加固的方法常用的有：護(hù)套加固法、加強(qiáng)支撐加固法、增加套箍或護(hù)套加固法、支撐法加固或增加擋墻加固等[2]。

（1）基礎(chǔ)擴(kuò)大加固：通過增加橋梁基礎(chǔ)的面積來改善橋梁基礎(chǔ)的受力，該方法稱為基礎(chǔ)擴(kuò)大加固法，對于淺埋基礎(chǔ)，基底埋深較淺，承載力不足的橋梁進(jìn)行加固效果明顯，通常該類擴(kuò)大基礎(chǔ)形式是磚石或混凝土剛性實(shí)體。

（2）補(bǔ)打加強(qiáng)樁體法：當(dāng)橋梁采用樁基基礎(chǔ)形式，需要進(jìn)行加固時(shí)，采用補(bǔ)打加強(qiáng)樁體，擴(kuò)大原有的承臺以加強(qiáng)橋梁的承載力，該方法能夠增加基礎(chǔ)的穩(wěn)定性、提高基礎(chǔ)承載力、增加橋梁安全性效果明顯。

（3）噴漿加固周邊地基法：噴漿加固地基技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中非常廣泛，噴漿加固地基基礎(chǔ)方法可靠有效，已成為我國最常用的地基處理方法。

（4）地基加固夯實(shí)法：當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)周邊天然土體較松軟，通過人工夯實(shí)能夠有效增加地基土體的密實(shí)度和承載力，保障了橋梁基礎(chǔ)承載力要求，最常用的是灰土拌合后夯實(shí)加固或砂樁加固夯實(shí)法。

（5）支撐法加固：由于橋墩已不滿足上部荷載的要求，在背土壓力的作用下，使橋孔發(fā)生傾斜或滑移，此時(shí)需要通過修筑側(cè)向撐壁法支撐樁來保證橋梁的安全穩(wěn)定。對于橋臺臺背壓力過大引起橋臺發(fā)生傾斜，可在臺背增加擋墻以增強(qiáng)橋臺的抗滑能力。

2.2 上部結(jié)構(gòu)加固

橋梁基礎(chǔ)的沉降、位移必定會對橋梁上部結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生影響，因此，對橋梁上部結(jié)構(gòu)的加固常采用的方法有增加梁體截面和配筋加固、體外預(yù)應(yīng)力加固、粘貼鋼板加固、主梁替換加固、噴射混凝土加固、增加梁體聯(lián)系、碳纖維粘結(jié)加固等。

（1）增加梁體截面和配筋加固：通過增加梁體的截面，改善梁體受力，提高梁體的承載能力。增加梁體的配筋，改善原有橋梁的力學(xué)性能，強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性方面都能夠很好得到改善。該方法通過增加梁底和梁側(cè)的尺寸，增加主筋有效提高梁體截面，從而達(dá)到增加梁體承載力的目的。

（2）體外預(yù)應(yīng)力加固：采用預(yù)應(yīng)力來增加梁體整體剛度，施工工藝較為復(fù)雜，但是加固效果較明顯。這種加固方法能夠在很少增加梁體自重的情況下，極大地提高梁體承載能力，有效減少橋墩荷載，增加橋梁承載能力。

（3）粘貼鋼板加固：在梁體表面粘貼鋼板，提高梁體整體的抗彎剛度，通過在梁體的薄弱位置用粘結(jié)劑和錨栓將梁體表面無縫固定鋼板，使鋼板和混凝土形成一個(gè)整體，達(dá)到提高梁體承載力的目的。

（4）主梁替換加固：這種方法適用于舊橋完全無法滿足使用要求。加固后無法滿足使用要求的橋梁，需要完全更換后才可使用，如果不進(jìn)行更換后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用會很高，也影響行車的安全性。

（5）噴射混凝土加固：部分混凝土橋梁經(jīng)過長年累月的剝落等原因，使得橋梁截面尺寸偏小，不能滿足橋梁抗剪強(qiáng)度要求，通過噴射混凝土增加梁體截面，從而滿足橋梁抗剪要求。

（6）增加梁體聯(lián)系加固：近些年來通過增加橫向聯(lián)系來改善橋梁的性能方法越來越多，這種方法能夠有效改善上部荷載分布規(guī)律，從而改善梁體結(jié)構(gòu)的承載能力。

（7）碳纖維粘結(jié)加固：碳纖維加固技術(shù)是近些年來發(fā)展起來的新型結(jié)構(gòu)加固材料，碳纖維結(jié)構(gòu)具有很高的強(qiáng)度，碳纖維的耐腐蝕、抗疲勞、耐久性、強(qiáng)度等優(yōu)良的性能。利用樹脂材料將碳纖維與混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)起來，協(xié)同工作，以達(dá)到加固和改善混凝土性能的目的。

2.3 淺基礎(chǔ)水毀加固措施

對于淺埋基礎(chǔ)橋梁主要存在水毀對基礎(chǔ)損壞，因此本節(jié)重點(diǎn)介紹以下幾種常用的加固方法。

（1）當(dāng)橋梁淺埋基礎(chǔ)受到較輕沖刷時(shí)，且抗水毀等級為二級，可以采用柳枝、荊條編成梢捆內(nèi)部裝卵石和片石進(jìn)行基礎(chǔ)四周防護(hù)，該方法抗沖刷能力效果較為明顯，沖擊力較大時(shí)，需要在梢捆壓石頭穩(wěn)定，該方法造價(jià)低，防護(hù)效果差。

（2）橋梁基礎(chǔ)受沖刷形成較深的沖刷坑時(shí)，且抗水毀等級為二級，采用拋石對墩臺四周進(jìn)行防護(hù)，填至河床水位以上，有效防止墩臺再次受到?jīng)_刷，該方法造價(jià)相對較低，防護(hù)效果一般。

（3）當(dāng)橋墩及基礎(chǔ)沖刷較為嚴(yán)重，且抗水毀等級為二級或一級，采用石籠防護(hù)進(jìn)行加固，該方法外部用鐵絲網(wǎng)眼作為外框，需要的石籠數(shù)量和尺寸根據(jù)工程實(shí)際洪水流量制作，一般一個(gè)石籠防護(hù)厚度在20～40 cm，埋入河床一般要求埋入1 m，該方法造價(jià)相對較低，防護(hù)效果較好。

石籠橋梁防護(hù)網(wǎng)廣泛應(yīng)用于淺埋基礎(chǔ)、受河水沖刷嚴(yán)重的橋梁，應(yīng)用于橋墩及橋梁扶垛斜面的防護(hù)上。其中，根據(jù)橋梁扶垛斜面的傾斜度來選擇防護(hù)體的種類。斜面陡直，可應(yīng)用石籠網(wǎng)重力防護(hù)墻，斜面平緩，則可使用石籠網(wǎng)斜坡防護(hù)系統(tǒng)。無論是哪種體系的應(yīng)用都應(yīng)該考慮到防護(hù)體的沖刷和陷沉問題。當(dāng)然，石籠網(wǎng)擋板的使用可以有效防止沖刷與陷落。

（4）當(dāng)橋墩及基礎(chǔ)沖刷較為嚴(yán)重，且抗水毀重要性等級為二級或一級，沿橋墩周邊打入鋼板樁，在鋼板樁與墩基礎(chǔ)之間采用毛石或毛石混凝土填充，通常鋼板樁打入沖刷線以下1 m，該方法造價(jià)較高，防護(hù)效果好。

（5）水流對橋下基礎(chǔ)及下游沖刷嚴(yán)重，為緩沖沖刷影響，且抗水毀重要性等級為二級或一級，采用三級消力坎方式進(jìn)行防護(hù)，該方法通常不單獨(dú)使用，需要配合其他加固措施一起使用，該方法造價(jià)適中，防護(hù)效果較好。

（6）水流對小橋下基礎(chǔ)及下游沖刷嚴(yán)重，為緩沖沖刷影響，抗水毀重要性等級為二級或一級，防護(hù)要求不是很高，可以采用小橋底基礎(chǔ)鋪砌，在小橋出口設(shè)置挑流防護(hù)，或在小橋的進(jìn)水口處增加斜坡和隔水墻，該方法造價(jià)適中，防護(hù)效果一般。

3 案例分析

3.1 工程概況

該文依托淺埋基礎(chǔ)跨徑22 m小橋?yàn)檠芯繉ο螅摌虿捎闷胀ü杷猁}水泥，T型梁結(jié)構(gòu)，混凝土采用C30標(biāo)號，下部采用淺挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，屬于最普通的結(jié)構(gòu)形式，橋面凈寬度為9 m。橋梁建成至今已經(jīng)進(jìn)行了三次大修加固，本次采用荷載試驗(yàn)對橋梁安全性進(jìn)行分析，橋梁屈服強(qiáng)度為300 MPa，并進(jìn)行了超聲回彈儀測試，以便更好地了解混凝土橋梁現(xiàn)有狀況，混凝土橋梁及界面如圖1所示[3]。

3.2 病害原因分析

通過對原橋進(jìn)行實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)該橋梁存在較多病害，主要是基礎(chǔ)沖刷和梁體裂縫，裂縫主要分布位置為橋梁腹板，且內(nèi)側(cè)裂縫數(shù)量大于外側(cè)，主要分布于支點(diǎn)附近以及跨中位置，底板跨中位置橫向裂縫較多，頂板合攏位置縱縫較多，通過對橋梁病害分析可知，產(chǎn)生原因有以下幾點(diǎn)：

（1）基礎(chǔ)受水流沖刷嚴(yán)重。根據(jù)橋梁安全性調(diào)查分析，橋梁基礎(chǔ)存在較嚴(yán)重的沖刷，基礎(chǔ)位置形成2 m多沖刷坑，增加了橋梁基礎(chǔ)的風(fēng)險(xiǎn)，分析其原因，是由于橋梁基礎(chǔ)位置在水流不斷沖刷作用下形成渦流作用，這種作用下將橋墩位置泥沙帶走形成沖刷坑。

（2）梁體結(jié)構(gòu)彎矩變大。通過分析研究，橋梁梁體的結(jié)構(gòu)彎矩會受基礎(chǔ)沉降影響，由于橋梁墩臺位置的下沉?xí)蛄寒a(chǎn)生拉變形;橋梁的施工質(zhì)量同樣對橋梁的結(jié)構(gòu)彎矩也會有很大影響。

（3）橋梁承載力下降。橋梁在荷載作用下會使橋梁逐漸產(chǎn)生疲勞損壞，在這種作用下梁底會產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致梁底開裂，梁底鋼筋在空氣作用下逐漸產(chǎn)生銹蝕降低梁體的承載能力，基于這種情況，需要采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧瑢α后w加固后才能滿足承載力要求，橋梁承載力評價(jià)流程如圖2所示。

（4）溫度梯度影響。橋梁在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，忽略了溫度梯度帶來的橫向效應(yīng)。橋梁的梁體結(jié)構(gòu)受溫度收縮變形影響，存在不均勻溫差，梁板在溫度作用效應(yīng)下產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力。梁體順橋方向上存在壓應(yīng)力，因此會產(chǎn)生橫向拉應(yīng)變，導(dǎo)致橋梁跨中產(chǎn)生裂縫[4]。

4 橋梁加固效果分析

為保證橋梁基礎(chǔ)周邊牢固穩(wěn)定，該文對橋梁加固時(shí)淺基礎(chǔ)采用石籠防護(hù)。現(xiàn)狀橋梁梁體部分產(chǎn)生開裂，承載力不滿足道路安全運(yùn)營的要求，因此對梁體進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固，提高橋梁的安全性能。

通過對橋梁的現(xiàn)狀調(diào)查和荷載試驗(yàn)的檢測，表明橋梁此時(shí)承載力滿足使用要求，但橋梁在正常使用過程中的抗裂指標(biāo)不滿足設(shè)計(jì)要求，因此本節(jié)通過體外預(yù)應(yīng)力加固來提高橋梁的抗裂性能，同時(shí)對加固后的橋梁進(jìn)行驗(yàn)算，主要驗(yàn)算指標(biāo)有：抗裂性能、抗壓性能。得出結(jié)論如下所示：

（1）結(jié)構(gòu)抗裂驗(yàn)算。通過對加固效果進(jìn)行分析可知：通過體外預(yù)應(yīng)力加固后，橋梁主梁抗裂性能有明顯當(dāng)?shù)奶岣撸芽p完全閉合收縮。因此采用預(yù)應(yīng)力能有效提高梁體的抗彎剛度，能夠承受更多的橋上荷載。

對梁的底板、跨中底板、梁頂板上緣等位置進(jìn)行了抗裂驗(yàn)算，采取的體外預(yù)應(yīng)力加固可以使橋梁的正截面抗裂性能有所提高，進(jìn)行加固后橋梁抗裂驗(yàn)算滿足設(shè)計(jì)要求。通過對梁的斜截面進(jìn)行抗裂驗(yàn)算可知該性能同樣能滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）混凝土抗壓驗(yàn)算。通過對主梁壓應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，該加固方法有效增大正截面混凝土的壓應(yīng)力，但增大的數(shù)值相對較小，滿足橋梁加固驗(yàn)算要求，并滿足橋梁安全性驗(yàn)算要求。體外預(yù)應(yīng)力加固后的橋梁的抗壓性能明顯得到提高，可以得出：體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)可提高橋梁抗壓性能。

5 結(jié)語

（1）橋梁安全性的評價(jià)主要內(nèi)容：橋梁承載能力、橋梁耐久性、橋梁適用性的評定。

（2）淺埋基礎(chǔ)橋梁通常適用于跨徑不大的位置，橋梁主要存在基礎(chǔ)病害和橋梁結(jié)構(gòu)病害，結(jié)構(gòu)主要以梁體為重點(diǎn)分析對象，混凝土存在病害主要為裂縫，其受力方式主要為預(yù)應(yīng)力或鋼筋承受拉應(yīng)力，混凝土承受壓應(yīng)力，混凝土出現(xiàn)病害的主要原因是拉應(yīng)力不足。該文采用體外預(yù)應(yīng)力加固措施對梁體加固效果進(jìn)行分析。

（3）淺埋基礎(chǔ)橋梁通常適用于跨徑不大的位置，橋梁主要存在基礎(chǔ)病害和橋梁結(jié)構(gòu)病害，結(jié)構(gòu)主要以梁體為重點(diǎn)分析對象，混凝土存在病害主要為裂縫，其受力方式主要為預(yù)應(yīng)力或鋼筋承受拉應(yīng)力，混凝土承受壓應(yīng)力，混凝土出現(xiàn)病害的主要原因是拉應(yīng)力不足。該文采用體外預(yù)應(yīng)力加固措施對梁體加固效果進(jìn)行分析。

（4）通過淺埋基礎(chǔ)橋梁安全性評價(jià)分析，橋梁產(chǎn)生病害的主要原因有：水流沖刷基礎(chǔ)、溫度梯度影響、施工影響等。通過對現(xiàn)狀橋梁進(jìn)行分析可知橋梁梁底裂縫會使梁體鋼筋銹蝕，從而降低梁體的承載力，影響橋梁承載能力。

（5）對橋梁進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固，通過對結(jié)構(gòu)抗裂性能、混凝土抗壓性能進(jìn)行驗(yàn)算可知，該加固方法可提高橋梁的抗彎抗裂性能，增加橋梁的使用年限。

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