保瀘高速小沙壩大橋右幅橋梁偏壓位移檢測(cè)及原因分析

許鵬 王保兵 袁勝濤 陳婧

收稿日期：2023-10-19

作者簡(jiǎn)介：許鵬（1988—），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：橋梁檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及加固設(shè)計(jì)。

課題：云南省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目“基于微孔應(yīng)力釋放法的PC橋梁鋼束有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)研究”[云交科教便（2020）91]

摘要 通過(guò)對(duì)運(yùn)營(yíng)公路橋梁檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，橋梁存在橋面系伸縮縫兩端標(biāo)線橫向錯(cuò)位6 cm，同時(shí)橋梁上部結(jié)構(gòu)存在橫向偏位、支座剪切變形、墩柱豎直度超標(biāo)等現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)橋下存在大量棄土單側(cè)擠壓墩柱的情況。通過(guò)實(shí)測(cè)覆土高度，采用有限元軟件Midas Civil建立橋梁模型，模擬覆土側(cè)向擠壓墩柱，理論計(jì)算結(jié)果表明，墩柱受覆土橫向擠壓后，墩柱縱橫向偏位和實(shí)際測(cè)量偏位吻合，同時(shí)承臺(tái)以下約2 m范圍內(nèi)樁基負(fù)彎矩將達(dá)到最大值，樁基礎(chǔ)可能產(chǎn)生環(huán)向開裂，對(duì)樁基完整性存在一定影響。

關(guān)鍵詞 橋梁；偏位；墩柱豎直度；Midas Civil；覆土側(cè)壓

中圖分類號(hào) U443.15文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）01-0149-03

0 引言

橋梁受側(cè)土擠壓導(dǎo)致橋梁上部結(jié)構(gòu)、墩柱及樁基產(chǎn)生橫向位移的情況非常普遍，很多學(xué)者和專家對(duì)此也做了相應(yīng)的研究。其中，李志偉等[1]以某鄰近高填方堆載的山區(qū)公路橋梁為背景，采用有限元法和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)相結(jié)合的方式，分析橋面及橋墩橫橋向偏位、填方坡體位移、樁基變形及內(nèi)力，并進(jìn)行樁基抗彎及抗剪承載力驗(yàn)算及現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核。張恒等[2]以填土造陸的深厚軟土區(qū)域穿越既有橋梁為例，研究填土造陸的深厚軟土區(qū)域存在既有橋梁穿越時(shí)，后期填土形成的不平衡土壓力將導(dǎo)致樁基發(fā)生附加變形，橋梁墩柱和樁基內(nèi)力擴(kuò)大進(jìn)而可能影響橋梁運(yùn)營(yíng)安全。徐富強(qiáng)[3]以某公路橋梁在運(yùn)營(yíng)階段出現(xiàn)了墩柱偏位、支座損壞等病害為例，通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)特征分析及病害現(xiàn)狀研究，確定了梁底支撐面不水平是造成公路橋梁在運(yùn)營(yíng)階段出現(xiàn)墩柱偏位現(xiàn)象的主要原因。馮永航[4]以某高速公路的一座高墩裝配式連續(xù)T梁橋?yàn)檠芯勘尘埃瑢?duì)已運(yùn)營(yíng)橋梁出現(xiàn)橋墩偏位情況下的病害情況和成因進(jìn)行了全面分析。史方華等[5]以寧波繞城高速某互通匝道橋工程為研究案例，對(duì)大面積堆土導(dǎo)致彎橋偏位進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。以地面堆載導(dǎo)致的某軟土地區(qū)匝道橋病害為背景，采用有限元軟件Midas GTS NX建立三維數(shù)值計(jì)算模型，分析了土體堆載對(duì)橋梁基礎(chǔ)沉降及側(cè)移的影響，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，得到軟土地區(qū)地面堆載對(duì)既有結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，橋臺(tái)邊坡堆載過(guò)高容易導(dǎo)致相鄰橋墩偏壓超載，造成橋墩下部的樁基傾斜偏移，引起墩頂蓋梁偏位，從而導(dǎo)致架梁困難。

該文以保瀘高速公路小沙壩大橋右幅橋受橋下填土擠壓為例，檢測(cè)橋梁受側(cè)土擠壓導(dǎo)致的橋梁橋面系、上部結(jié)構(gòu)、支座及墩柱的偏位，同時(shí)測(cè)量覆土厚度，以有限元軟件Midas Civil建立有限元模型，模擬覆土擠壓導(dǎo)致的墩柱及樁基偏位變形，得出結(jié)論：在覆土擠壓作用下，樁基可能產(chǎn)生不易檢測(cè)到的開裂情況。

1 工程概況

保瀘高速公路小沙壩大橋右幅全橋共2聯(lián)，上部結(jié)構(gòu)為4×39 m+4×39 m預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后連續(xù)T梁；下部結(jié)構(gòu)0#、8#橋臺(tái)采用柱式臺(tái)，1#、7#橋墩采用柱式墩，其余橋墩采用實(shí)體墩，墩臺(tái)采用樁基礎(chǔ)。橋臺(tái)及4#橋墩采用LNR（H）d470×150型水平力分散型支座；2#、6#橋墩采用固接；其余橋墩采用LNRd670×199型固定型水平力分散型支座；0#、8#橋墩采用80伸縮縫，4#橋墩采用160伸縮縫。

2 偏移情況概述

2023年8月25日，在定期檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)小沙壩大橋橋面系標(biāo)線在伸縮縫位置兩端存在錯(cuò)位現(xiàn)象，兩端標(biāo)線橫向錯(cuò)位6 cm，同時(shí)右幅4#墩存在位移現(xiàn)象。隨后對(duì)該橋進(jìn)行了專項(xiàng)檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容包括橋梁外觀、墩柱豎直度檢測(cè)、周邊棄土覆蓋情況及現(xiàn)場(chǎng)棄土環(huán)境調(diào)查。專項(xiàng)檢測(cè)的目的是在定期檢查已檢出病害問(wèn)題的基礎(chǔ)上，制定更具有針對(duì)性的檢測(cè)內(nèi)容，查明可能引起位移的主要原因，對(duì)病害進(jìn)行分析，給出合理的處治建議。

3 橋梁檢測(cè)結(jié)果

3.1 檢測(cè)編號(hào)及規(guī)則

該次檢測(cè)“A端（或A面）”表示保山側(cè)，“B端（或B面）”表示瀘水側(cè)；由保山至瀘水手指方向左手邊為“左側(cè)”、右手邊為“右側(cè)”；支座、T梁編號(hào)以左側(cè)為1#依次向右側(cè)編號(hào)；橋跨編號(hào)以保山岸為1#跨依次往瀘水方向編號(hào)。

3.2 橋梁外觀檢測(cè)結(jié)果

3.2.1 橋面系檢查情況

4#墩頂處第一聯(lián)橋面系相對(duì)第二聯(lián)橋面系向右側(cè)錯(cuò)位約6 cm。

3.2.2 上部結(jié)構(gòu)檢查情況

（1）第4跨B端1～5#梁體相對(duì)4#蓋梁均存在較大右側(cè)橫向位移，梁體中心線與支座中心線（或支座頂部滑移痕跡）介于12.6～16.2 cm之間。邊梁與左側(cè)蓋梁處的鋪裝瀝青廢料間隙為6 cm，與橋面標(biāo)線錯(cuò)位相吻合（詳見橋面系檢查結(jié)果）。

（2）3#墩頂（連續(xù)端）1～5#T梁支座存在向左側(cè)剪切變形，剪切角度介于5 °～15 °之間，相對(duì)于3#蓋梁，梁體向左側(cè)偏移約1.5～2.5 cm。

（3）2#墩頂（固結(jié)端）1～5#T梁現(xiàn)澆段端隔板A、B面均存在豎向或斜向貫通裂縫，裂縫呈中間寬，上下端窄的特征，個(gè)別裂縫上端延伸至濕接縫位置，裂縫長(zhǎng)度介于2.5～3.5 m之間，裂縫寬度介于0.2～0.4 mm之間。

（4）1#墩頂（連續(xù)端）1～5#T梁支座存在向右側(cè)剪切變形，剪切角度介于4 °～10 °之間，相對(duì)于1#蓋梁，梁體向左側(cè)偏移約0.5～1.5 cm。

（5）5#跨1～5#T梁A端相對(duì)4#蓋梁向右滑移2 cm，1～5#T梁支座均存在向右剪切及滑動(dòng)，剪切角介于5 °～15°。

3.2.3 下部結(jié)構(gòu)檢查結(jié)果

（1）1#蓋梁4#中擋塊受梁體擠壓，存在斜向裂縫自左上至右下，裂縫長(zhǎng)度0.5 m，裂縫寬度0.44 mm。4#蓋梁頂部右側(cè)擋塊受梁體擠壓均存在較嚴(yán)重破損、斷裂。

（2）蓋梁存在部分豎向裂縫，長(zhǎng)度介于0.4～1.4 m之間，裂縫寬度介于0.12～0.18 mm之間。2、3#頂墩柱存在網(wǎng)裂現(xiàn)象，面積約為1.0～4.8 m2。

（3）3#墩底左側(cè)面存在多處破損，且墊有木板緩沖后仍有大量塊石堆積。

（4）2～4#墩橋檢車及爬梯無(wú)法到達(dá)部位采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行近距離觀察，未發(fā)現(xiàn)明顯病害。

3.3 墩柱豎直度

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)墩柱豎直度檢測(cè)結(jié)果匯總，如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可知，2#、3#、4#和5#墩實(shí)測(cè)縱向偏位分別為4.105 cm、4.330 cm、2.515 cm和0.995 cm，橫向偏位分別為4.440 cm、5.540 cm、2.446 cm和1.405 cm，對(duì)應(yīng)測(cè)量墩柱高38.32 m、40.21 m、40.65 m和34.86 m。墩柱豎直度超規(guī)范規(guī)定限值，墩柱實(shí)測(cè)位移及方向，見圖1。

通過(guò)上述數(shù)據(jù)對(duì)比可得出：覆土高度與墩柱傾斜度存在較大相關(guān)性，覆土高度越高，傾斜越大。

3.4 周邊棄土覆蓋檢查

經(jīng)過(guò)測(cè)量墩身實(shí)際外露高度，結(jié)合設(shè)計(jì)墩身長(zhǎng)度，得到墩身實(shí)際棄土覆蓋高度結(jié)果，如表2所示。通過(guò)表2得出小沙壩右幅2～4#墩身實(shí)際棄土覆蓋高度。實(shí)測(cè)2#、3#及4#墩左側(cè)墩身?xiàng)壨粮采w厚度分別為6.94 m，10.89 m和3.39 m；實(shí)測(cè)2#、3#及4#墩右側(cè)墩身?xiàng)壨粮采w厚度分別為4.08 m，9.35 m和1.39 m，右幅2～4#墩墩身附近存在較大方量棄土覆蓋。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)情況，右幅3#墩附近左側(cè)巖石露頭走向311 °（與橋梁小角度接近平行），傾角44.9 °（臨空面向橋梁右側(cè)滑移趨勢(shì)）。

3.5 現(xiàn)場(chǎng)棄土環(huán)境調(diào)查

右幅橋梁2～4#墩左側(cè)堆積土體存在滑移跡象，臨空面向橋梁右側(cè)滑移趨勢(shì)，進(jìn)一步說(shuō)明右幅橋左側(cè)斜上方棄土對(duì)墩柱存在較大水平推力。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，棄土堆積坡腳處河溝水流湍急。3#墩右側(cè)坡腳填土受水流沖刷影響。

4 理論計(jì)算

4.1 模型建立

該橋理論分析采用橋梁專業(yè)軟件Midas Civil進(jìn)行模擬，采用梁?jiǎn)卧M主梁、虛擬橫隔梁；采用板單元模擬50%厚度（僅考慮10 cm混凝土）的橋面鋪裝，剩余橋面鋪裝、防撞護(hù)欄按二期荷載考慮，只計(jì)入其重量，理論模型見圖2。

上部結(jié)構(gòu)640個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 198個(gè)梁?jiǎn)卧虏拷Y(jié)構(gòu)357個(gè)節(jié)點(diǎn)，339個(gè)梁?jiǎn)卧?97個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 537個(gè)梁?jiǎn)卧?。上部結(jié)構(gòu)T梁為C50，蓋梁及矩形墩為C40，圓柱墩承臺(tái)樁基為C30。支座采用彈性連接進(jìn)行模擬，樁身采用m法模擬樁身與土壤連接形式。

在運(yùn)用Midas Civil 軟件對(duì)樁基進(jìn)行分析模擬時(shí)，對(duì)于樁土之間的相互作用，通過(guò)建立節(jié)點(diǎn)彈性支撐來(lái)實(shí)現(xiàn)，將土體看作彈塑性材料。假設(shè)如下：

（1）忽略地下水對(duì)樁基的影響。

（2）將樁周土看作彈塑性材料，樁基視為線彈性體。

（3）樁與土之間設(shè)立節(jié)點(diǎn)彈性支撐，模擬在受力過(guò)程中出現(xiàn)的樁與土之間的相互作用。

4.2 棄土側(cè)壓力模擬

被動(dòng)土壓力的計(jì)算：被動(dòng)土壓力計(jì)算公式的推導(dǎo)，與推導(dǎo)主動(dòng)土壓力公式相同，擋土墻在外力作用下移向填土，當(dāng)填土達(dá)到被動(dòng)極限平衡狀態(tài)時(shí)，便可求得被動(dòng)土壓力計(jì)算公式為：

（1）

式中，Kp——被動(dòng)土壓力系數(shù)，可用下式計(jì)算：

（2）

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，代入上式求出2～4#墩土側(cè)壓力，如表3所示。

4.3 理論計(jì)算結(jié)果

通過(guò)有限元分析，棄土水平推力的作用下，承臺(tái)以下約2 m范圍內(nèi)負(fù)彎矩將達(dá)到最大值，樁基礎(chǔ)抗彎能力較弱，可能會(huì)產(chǎn)生環(huán)向開裂，對(duì)樁基完整性可能存在一定影響。在側(cè)土擠壓作用下2號(hào)樁基和3號(hào)樁基橫橋向和縱橋向均發(fā)生不同程度的偏位，其中2號(hào)樁基橫橋向最大位移為?1.41 cm，縱橋向最大位移為1.32 cm；3號(hào)樁基橫橋向最大位移為?1.80 cm，縱橋向最大位移為2.35 cm。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

綜上所述，造成梁體橫向偏移的主要原因是下部結(jié)構(gòu)傾斜所致，而引起墩柱傾斜的原因如下：

（1）在橋下大方量棄土的作用下，橋墩受到向右的土壓力，且橋墩左右兩側(cè)填土高度不一致，左高右低，填土對(duì)橋墩產(chǎn)生棄土側(cè)壓效應(yīng)。

（2）人工邊坡為棄土堆積體，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)棄土過(guò)程為分層壓實(shí)，孔隙率遠(yuǎn)大于天然土體，吸水能力強(qiáng)，儲(chǔ)水性能差，現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)為地表雨水流動(dòng)痕跡均較短，自然沉降后多處露出孔洞。此類土體在雨水下滲過(guò)程中將較小顆粒攜帶至巖石或較大顆粒間隙中，形成土體體積收縮且容重增加，夏季持續(xù)性降雨又加大了棄土的含水量，從而增大對(duì)橋墩的側(cè)向棄土側(cè)壓力。

（3）坡腳河溝沖刷帶走大量土體，破壞邊坡坡腳，人工填土邊坡坡腳的抗滑力下降，邊坡重力勢(shì)能不穩(wěn)定又增加了邊坡的不穩(wěn)定因素。從現(xiàn)場(chǎng)勘查情況看，右幅橋上坡處棄土堆積面已形成了大范圍的滑移痕跡，進(jìn)一步加大了對(duì)橋墩的側(cè)向水平推力，從而降低了坡體安全系數(shù)。

（4）墩身附近填土為橋梁施工期人工填筑碎石土，孔隙率較大，經(jīng)2年的自然沉降期，產(chǎn)生固結(jié)沉降，下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向下的負(fù)摩阻力。

（5）棄土水平推力的作用下，承臺(tái)以下約2 m范圍內(nèi)樁基負(fù)彎矩將達(dá)到最大值，樁基礎(chǔ)可能產(chǎn)生環(huán)向開裂，對(duì)樁基完整性可能也存在一定影響。

5.2 建議

（1）邊坡棄土目前仍處于不穩(wěn)定狀況，需持續(xù)關(guān)注墩柱位移情況。

（2）建議盡快對(duì)側(cè)壓土體進(jìn)行卸載，并觀測(cè)墩柱及梁體位移恢復(fù)狀況。

（3）在土體卸載穩(wěn)定后，建議對(duì)4#跨B端支座進(jìn)行復(fù)位，但由于2#墩處于固結(jié)狀況，在復(fù)位方案設(shè)計(jì)時(shí)，建議進(jìn)行專項(xiàng)評(píng)審，嚴(yán)格控制頂升高度，防止發(fā)生由于頂升力過(guò)大引起的梁體開裂。

參考文獻(xiàn)

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