公路橋梁樁基礎病害成因及處治方案

栗洪星

（保定市交通運輸局公路事業發展中心，河北保定 071000）

0 引言

近些年，公路橋梁垮塌事件頻繁發生，尤其是在役的舊橋，由于設計載荷等級較低、使用年限的增加，構件老化、擴大基礎埋深較淺、樁基礎樁長較短等原因，在重載、超載車輛、洪水等情況下極易發生垮塌。其中，基礎沖刷作為造成運營階段公路橋梁垮塌的主要病害之一，表現為突發性和毀滅性，嚴重威脅著人民生命財產安全[1]。

相關學者也對此展開了統計和研究，如王楓等[2]對國內外2017—2019 年橋梁坍塌事故發生的時間、地點、傷亡人數及原因進行了統計分析。結果發現，橋梁運營期事故主要原因是運營養護不當及超載。國外新建橋梁的事故數少于運營階段橋梁事故數，橋梁運營期事故大部分與養護不當相關；秦泗鳳[3]收集了2000—2019 年中國151 座橋梁水毀事故情況，首先闡述中國5 個典型橋梁水毀案例，之后分析了151 座水毀橋梁的地理分布特征、橋齡分布特征、橋梁類型分布特征、時間分布特征。結果發現，橋梁水毀事故的主要原因包括超預期洪水、舊橋、過度采砂等，既有自然因素也有人為因素。

本文以某工程實例為背景，針對橋梁樁基礎沖刷嚴重、樁基礎埋深較淺病害，結合橋梁周邊情況，分析橋梁基礎受力，提出了加固改造方案并進行比選，給出最終推薦方案，已通過專家評審。

1 工程背景

1.1 工程概況

某公路橋梁全長220.6 m，橋面全寬17.5 m。該橋上部結構為現澆鋼筋混凝土簡支T 梁，跨徑組合為13×16 m，支座為橡膠支座，下部結構為樁柱式橋墩，單排3 根樁基礎。設計載荷等級汽車-20 級，掛車-100，設計洪水頻率為百年一遇。該橋位河床為人工改造形成，上游建有琴江水電站，河道水位變化受水電站排水影響。

根據勘察鉆孔揭示的地質資料，場地內鉆孔揭露深度內的巖土層為第1 層素填土，該層不考慮其地基承載力。第二層強風化泥質粉砂巖，為極軟巖，地基容許承載力［fa］=500 kPa，樁側摩阻力標準值qik=100 kPa。第三層為中風化泥質粉砂巖，為軟巖，地基容許承載力［fa］=1500 kPa，巖石抗壓強度fr=9.0 MPa，樁側摩阻力標準值qik=150 kPa。

根據原橋竣工圖紙，該橋樁基礎直徑1.2 m，樁長5～7 m，支撐于中風化巖層，按嵌巖樁設計。2018 年12 月，該橋兩側進行了拓寬設計，拓寬幅橋梁為2×16 m，預應力空心板+3×32 m，預應力簡支小箱梁+2×32 m，預應力簡支小箱梁+1×18 m，預應力簡支小箱梁。下部結構采用柱式墩、樁基礎，樁基礎長度25 m，嵌巖樁設計。

1.2 基礎病害情況及成因分析

2020 年對該橋進行了檢測，根據檢測情況，該橋下部結構主要病害為河床鋪砌存在大面積破損，外露樁基礎沖刷、露骨現象嚴重，其中11 號、12 號樁基礎埋深僅0.9 m，10-1 號樁基礎埋深僅1.14 m。結合橋梁河床及周邊實際情況，分析主要病害成因為：①在水流的不斷沖刷下，河床鋪砌出現破損；②鋪砌破損后，水流沖刷樁基礎，由于部分樁基礎保護層厚度不足或施工質量欠佳，出現露骨；③由于原樁基礎樁長較短，河床沖刷后，導致樁基礎長度埋深較小，嚴重威脅橋梁安全。

2 基礎入巖深度現狀分析

根據JTG 3363—2019《公路橋涵地基與基礎設計規范》中對于樁嵌入基巖中有效深度的計算公式，驗算該橋水中1～12 號樁基礎嵌入基巖中（不計強風化層、全風化層及局部沖刷線以上基巖）的有效深度hr，對比該橋樁基礎實際如中風化巖層的深度h：

根據式（1）進行驗算，結果顯示該橋梁9～12 號樁基礎有效入巖深度不滿足規范要求。

3 處治方案研究

3.1 橋梁情況分析

（1）該橋關鍵病害為：舊橋樁基礎沖刷后，樁基礎埋深較小，其中11 號、12 號樁基礎埋深僅0.9 m，10-1 號樁基礎埋深僅1.14 m，嚴重威脅橋梁安全，需立即進行改造處治。

（2）針對樁基礎埋深較淺病害，如采用維修加固方案，最直接有效的方式為新增樁基礎，可采用原樁基礎間新增樁基礎或前后新增樁基礎變為多排樁基礎等方案，但均需新增承臺與墩柱連接[4]。新增承臺時，如采用在現狀河床面以上新建，考慮到新增承臺尺寸順橋向寬度及豎向高度均較大，則將影響過水斷面，故無加固空間；如為不影響過水斷面，將承臺落于河床面以下，則需開挖河床，由于現狀樁基礎埋深較淺，無法開挖河床，不可行。

（3）根據拓寬幅設計過程，在設計過程中要求新建橋墩不得侵占排水渠，為此將橋跨進行了調整，調整后跨越水渠，不影響水渠現狀過水斷面，故舊橋加固改造需考慮不影響現狀水渠排水。

（4）對舊橋進行新增樁基礎加固。水渠范圍內的10～12 號墩，由于既無法將新增承臺置于河床面以上（影響水渠排水），也無法開挖（原樁基礎埋深過淺），則此方案不可行，10～12 號墩難以通過維修加固保證結構受力需求。

（5）該橋現況舊橋與拓寬幅間距15 cm，且有多道防撞護欄，結合兩側道路情況，行車安全性、美觀性及舒適性較差。

3.2 處治方案

針對該橋樁基礎病害情況，提出以下兩種加固改造方案。

3.2.1 舊橋新增樁基礎加固

為充分利用現有橋梁，節約造價，減小橋梁改造施工對交通的影響，該次考慮對舊橋進行加固改造，對水中的2～9 號基礎采用新建承臺新增樁基礎加固，由于10～12 號墩不具備維修加固實施條件，故提出對10～13 跨橋梁進行改建，改建后橋跨與拓寬幅相適應，將4 跨改造為3 跨（原11、12 跨合并為一跨），一跨跨越排水溝渠，對其他部分橋梁進行維修加固。

3.2.2 全橋拆除重建

考慮到水渠內10～12 號墩難以通過維修加固方案達到承載力要求，需對部分橋跨進行改建，徹底解決橋梁病害，并提高舊橋設計載荷等級，與拓寬幅相適應，同時減小橋梁對電站水渠排水的影響，該次提出對舊橋進行拆除重建方案。拆除后，與兩側拓寬幅橋梁跨徑統一，上部結構形式統一，變形協調，拼接設計簡單，下部結構墩臺基礎采用單排3 根鉆孔灌注樁基礎，嵌巖樁設計。

3.2.3 方案比選

對比兩種方案，舊橋維修加固及全部拆除重建均能改善橋梁受力狀況，提高結構的承載能力安全儲備。拆除重做舊橋，可徹底解決橋梁病害，同時提高設計載荷等級與拓寬幅協調一致，且可實現新舊橋橋面系的連接，行車舒適性好。維修加固方案雖造價相對較低，但也需拆除部分橋跨，施工較復雜，且新增承臺影響現狀斷面，同時不能提高設計載荷等級，拓寬幅利用性較差，經濟性較差。通過綜合分析，結合專家評審意見，一致同意對該橋舊橋進行拆除重建。

4 施工要點及注意事項

4.1 舊橋拆除

考慮到該橋基礎埋深較深，舊橋拆除過程中有一定的擾動，為保證拆橋安全，拆橋過程中需持續監測梁體及墩臺基礎變形，如有異常立即停止施工[5-6]。

4.2 新建樁基礎

考慮到該橋橋寬較大，為方便蓋梁施工，同時梁高盡量與兩側拓寬幅統一，該次仍采用3 根樁基礎，普通鋼筋混凝土蓋梁，新建樁基礎與舊橋樁基礎樁位有重合，施工難度相對較大，且外側樁基礎距離兩側拓寬幅樁基礎距離較近，為保證施工及拓寬幅橋梁安全，施工過程中應采用擾動較小的方式，并加強拓寬幅上、下部結構的觀測[7]。

4.3 鋼筋籠安裝

鋼筋籠安設時，應嚴格控制垂直度，確保滿足規范及設計要求；科學設置保護層墊塊，嚴格控制墊塊間距；準確確定吊筋長度，鋼筋籠安裝時仔細核對。對于鋼筋籠上浮的防治，首先需要嚴格按照配合比進行混凝土拌和，坍落度控制在（200±20）mm，確保具有良好的和易性；其次，嚴格控制混凝土澆筑速率，保證導管埋置深度處于2～6 m。

4.4 混凝土灌注

初次灌注時，需全面結合導管埋置深度、泥漿質量等相關因素。首盤混凝土下放時需滿足導管埋置深度1 m。導管內放置浮球，料斗下料后混凝土進入導管，浮球將混凝土與泥漿隔絕，混凝土推著浮球向下將其從導管口擠出。混凝土沖出導管后將孔底鉆渣抬升，導管口埋入混凝土內。正常灌注時導管的實際埋深2～3 節為宜。初次灌注的混凝土方量較大時，會在一定程度上造成鋼筋籠出現上浮現象，需采取有效措施防止鋼筋籠移位。

4.5 成孔過程中塌孔、縮徑、偏斜的防治

（1）塌孔的防治：需要根據規范要求科學制備泥漿，在雜填土、軟基層等地質條件較差區域，應科學調整鉆孔速度；地下水位較高時，應適當加大水頭[8]。

（2）縮徑的防治：需要根據鉆孔直徑及地質條件科學選擇鉆頭，確保鉆孔質量滿足要求；實時檢查鉆頭情況，發現損壞及時更換；在容易發生縮孔位置，應合理調整泥漿黏稠度。

（3）樁孔偏斜防治：鉆機準確就位，并保證其垂直度、穩定性滿足要求，鉆進時實時檢測并進行校正；嚴格檢查鉆頭、鉆桿性能，嚴禁使用缺陷鉆具；土質硬度較大部位，應合理控制鉆進速率，避免強行鉆進；針對出現傾斜的鉆孔，應通過勻速、緩慢、上下重復掃孔，實施糾偏處理。

5 結束語

本文通過對沖刷后樁基礎埋深較淺、存在嚴重安全隱患的梁橋基礎加固改造方案進行分析，提出適宜該橋的改造方案。現階段橋梁正在改造施工，已完成部分鉆孔灌注樁基礎，施工進展順利。目前我國仍存在大量的老舊橋梁，基礎沖刷問題仍較為普遍，針對不同的基礎類型及基礎沖刷程度，應充分考慮施工復雜程度、經濟性、合理性和美觀性等各個層面，綜合分析，采取最優方案，解決基礎安全隱患，保證橋梁結構安全。