單樁柱式橋墩糾偏技術(shù)研究與分析

葉 奐,陸栩梁

（1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司,浙江 杭州 310000; 2. 浙江交工高等級公路養(yǎng)護(hù)有限公司,浙江 杭州 310000）

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)糾偏是一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，根據(jù)上下部結(jié)構(gòu)不同偏位情況主要有上部結(jié)構(gòu)糾偏、下部結(jié)構(gòu)糾偏、上下部結(jié)構(gòu)聯(lián)動(dòng)糾偏。其中橋梁下部結(jié)構(gòu)中的單樁柱式結(jié)構(gòu)側(cè)向穩(wěn)定性相對較弱[1]，其在不平衡土壓力情況下容易出現(xiàn)傾斜、偏位等病害。此類病害隱患突出，輕則損壞橋梁構(gòu)件，重則影響橋梁安全，甚至出現(xiàn)垮塌事故。樁柱偏位后，如何快速、安全、高效地進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)糾偏至關(guān)重要，該文結(jié)合實(shí)際案例，分析適用于單樁柱橋墩偏位的自反力糾偏技術(shù)。

1 常規(guī)處治思路

在地質(zhì)不良、淤泥覆蓋層較厚的橋位處，因不均衡土壓力引起橋梁單樁柱式橋墩偏位的情況較為常見[2]。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生偏位后，應(yīng)立即進(jìn)行周邊環(huán)境和偏位成因調(diào)查，并開展結(jié)構(gòu)物的檢測和評估工作。橋梁結(jié)構(gòu)偏位處治是在準(zhǔn)確分析偏位原因的基礎(chǔ)上采取有針對性的糾偏復(fù)位設(shè)計(jì)，在橋梁樁基完整性較好，且可在修復(fù)后繼續(xù)使用的前提下，單樁柱結(jié)構(gòu)偏位處治一般可分臨時(shí)約束、橋墩糾偏、結(jié)構(gòu)加固三步進(jìn)行處治。

單樁柱式橋墩發(fā)展偏位，往往是由于自身側(cè)向穩(wěn)定性弱，當(dāng)不利因素（一般是不均勻土壓力）消除后，其復(fù)位所需的糾偏力不大，因此糾偏方案一般采用“自反力頂推+應(yīng)力消散孔”為主。具體做法是利用墩、梁間相互作用提供糾偏時(shí)所需的反力，通常包括豎向、縱向和橫向三個(gè)方向，豎向主要指上部梁體頂升，縱向和橫向則是橋墩水平向復(fù)位，其特點(diǎn)都是借助結(jié)構(gòu)自身提供反力。

項(xiàng)目實(shí)施過程進(jìn)行必要監(jiān)測，明確各部位的應(yīng)力變化，確保橋梁糾偏施工過程中的安全，并根據(jù)實(shí)際監(jiān)控手段及設(shè)備提出合理且滿足現(xiàn)行規(guī)范的預(yù)警值，在出現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)預(yù)警，便于調(diào)整糾偏力和優(yōu)化實(shí)施方案。

2 實(shí)體工程分析

案例橋梁全長146 m，共兩聯(lián)：（4×18+4×18）m。上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)為樁柱式墩臺(tái)，摩擦樁基礎(chǔ)。第0、2、4、6、8 號墩為雙樁柱結(jié)構(gòu)，雙柱間設(shè)系梁或蓋梁；第1、3、5、7 號墩處獨(dú)柱墩采用單柱單樁的形式。

2.1 現(xiàn)場調(diào)查及檢測

由于橋下管道開挖作業(yè)，形成了5 m 左右高差的不均衡土壓力，導(dǎo)致3#墩獨(dú)柱墩出現(xiàn)偏位，其墩頂最大偏位往小樁號方向滑移43 cm 左右（詳見圖1），開挖檢查后，發(fā)現(xiàn)其樁柱接頭附近已出現(xiàn)多條裂縫，最大寬度為0.54 mm。

圖1 樁柱偏位情況

2.2 設(shè)計(jì)方案

2.2.1 臨時(shí)約束

通過墩頂限位及螺桿對拉，對3#墩進(jìn)行臨時(shí)約束（詳見圖2），防止偏位進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測情況，嘗試采用螺桿對拉加載，使墩柱往好（原設(shè)計(jì)）的方向發(fā)展。

圖2 墩頂臨時(shí)約束裝置

2.2.2 橋墩糾偏：自反力糾偏+應(yīng)力消散孔

橋墩由于堆載在軟土層產(chǎn)生較大附加應(yīng)力，形成滑動(dòng)面對橋梁樁基產(chǎn)生側(cè)向壓力，導(dǎo)致橋樁偏位。糾偏是采用鋼結(jié)構(gòu)反力架和橡膠墊片固定伸縮縫寬度、安裝梁間橫向限位裝置，并通過梁底與墩頂之間增設(shè)頂推千斤頂，利用橋梁自身0#、2#、4#三個(gè)雙柱式墩為3#單樁柱式墩提供復(fù)位所需反力，進(jìn)行橋墩頂推糾偏施工（詳見圖3）。

圖3 自反力糾偏體系示意

2.2.3 橋墩加固

考慮到墩柱已出現(xiàn)較大裂縫，為確保結(jié)構(gòu)安全，在糾偏工作完成后，對3#墩進(jìn)行加樁、承臺(tái)及擴(kuò)大墩身加固。在原橋樁基兩側(cè)新增樁基提高橋墩抗傾覆能力，并通過拼寬立柱增設(shè)支座，適當(dāng)拉大間距設(shè)置，提高梁端梁體抗扭能力。

2.3 理論計(jì)算

橋梁樁基偏位問題，可通過軟土中滑動(dòng)面深度計(jì)算、樁身受力分布確定、糾偏力計(jì)算和樁身內(nèi)力校核、樁基內(nèi)外側(cè)土體預(yù)處理、糾偏力施加、樁身位移監(jiān)測以及土體分層回填的步驟實(shí)施糾偏。

對樁身尺寸和偏位數(shù)據(jù)復(fù)核后，進(jìn)行施工前的理論計(jì)算。樁身受力計(jì)算采用浙江省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目—《深厚軟基橋梁樁基移位機(jī)理及復(fù)位技術(shù)研究》中利用p-y曲線法所建立一種新的滑動(dòng)土層中樁身受力模型，并進(jìn)行相應(yīng)簡化。根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算樁身相對樁長，判斷是否為彈性樁，若不為彈性樁，須根據(jù)剛性樁撓度和轉(zhuǎn)角變化規(guī)律重新設(shè)計(jì)相應(yīng)的糾偏方案。多個(gè)工程實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明，沿海一帶深厚軟土中長度在30 m 以上的橋梁灌注樁多為彈性樁或彈性長樁。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察報(bào)告和地面堆載情況，確定土體內(nèi)摩擦角φ和地面堆載寬度b值，根據(jù)式（3）計(jì)算軟土地基中滑動(dòng)面深度。通過式（4）計(jì)算主動(dòng)樁區(qū)和被動(dòng)樁區(qū)極限土抗力Pu，并根據(jù)樁身水平力平衡確定穩(wěn)定土體中土抗力為0 位置，繪制樁身受力示意圖。結(jié)合樁身材料特性和受力情況進(jìn)行樁身強(qiáng)度校核，對滿足工程質(zhì)量要求的橋墩進(jìn)行糾偏。

2.3.1 樁身剛度計(jì)算

對于水平地基系數(shù)隨深度線性增加的地基，樁的相對剛度系數(shù)T和相對樁長Zmax可通過式（1）和（2）求得。

式中，m——隨深度增長的水平地基反力系數(shù)（N/m4）；E 、I 分別為樁的彈性模量（N/m2）和慣性矩（m4）；b0——考慮樁周土空間受力的計(jì)算寬度（m）。

2.3.2 滑動(dòng)面深度計(jì)算

根據(jù)式（3）計(jì)算土體中滑動(dòng)面深度。

式中，φ——土體內(nèi)摩擦角；b——堆載寬度。

2.3.3 極限土抗力計(jì)算

利用式（4）計(jì)算極限土抗力Pu，Pu即為樁周土作用在樁身上由堆載產(chǎn)生的水平力。

式中，x——泥面下深度；B——樁的計(jì)算寬度；Cu——原狀黏土不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值。飽和黏性土的不排水剪強(qiáng)度大小與黏聚力值相同，即Cu=c。

2.4 施工控制

2.4.1 施工控制

順橋向糾偏的施工原理為在橋縱軸方向的墩臺(tái)和梁體上設(shè)置反力架，施加水平千斤頂施力，借助臨時(shí)滑移面，將立柱向預(yù)期方向頂推糾偏，最后再設(shè)置臨時(shí)限位裝置。水平推力在理論計(jì)算范圍內(nèi)逐級勻速增加，分級加載初始值為50 kN，每25 kN 作為一個(gè)分級，每一級加載完成后持荷不小于0.5 h，并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控監(jiān)測位移、應(yīng)力、應(yīng)變情況，分析后得出結(jié)果，視情況隨時(shí)調(diào)整頂推力后繼續(xù)加載頂推，直至垂直度滿足規(guī)范要求為止。

2.4.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測

為確保糾偏在施工復(fù)位過程中能遵循設(shè)計(jì)思路、符合實(shí)際情況，用常規(guī)的計(jì)算或測量手段，很難準(zhǔn)確、迅速地得出橋梁在各種工況下的受力狀況，因此施工中采用位移傳感器和傾角傳感器，將糾偏復(fù)位的實(shí)施情況反應(yīng)到控制電腦上（詳見圖4），確保糾偏過程安全、高效，實(shí)現(xiàn)可視化糾偏，起到指導(dǎo)和控制施工順序以及危險(xiǎn)預(yù)警作用。

圖4 位移數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

3 處治效果評估

糾偏加固后橋梁整體狀況良好，墩柱糾偏量已滿足糾偏目標(biāo)值要求，橋墩豎直度均未超出1‰H 允許偏差和2 cm 偏移量要求[3]，各指標(biāo)均已滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了快速、安全、高效地糾偏處治，確保了橋梁運(yùn)營安全。

4 結(jié)論

該文根據(jù)理論基礎(chǔ)研究，提出了臨時(shí)約束、橋墩糾偏、結(jié)構(gòu)加固的三步處治思路；結(jié)合真實(shí)案例，分別從檢測、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)控等角度闡述了單樁柱結(jié)構(gòu)發(fā)生偏位后，利用自反力體系糾偏的技術(shù)實(shí)現(xiàn)有效限位、高效糾偏、可靠加固；通過處治效果評估驗(yàn)證了“三步處治思路”和“自反力糾偏技術(shù)”的有效性和可行性，值得類似工程參考和借鑒。