橋梁樁基不均勻沉降分析及加固措施

■劉昌生

（福建省陸海工程科技計(jì)有限公司，福州 350000）

樁基沉降對橋梁結(jié)構(gòu)受力影響很大，尤其是不均勻沉降。 在橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算中，通常認(rèn)為同個墩的所有樁基沉降是一致的，只考慮不同墩之間的沉降差，樁基沉降量也一般只考慮5～10mm。關(guān)于樁基沉降的研究也比較多，浦恩虎[1]、羅帥[2]分析了樁基沉降的原因，并從設(shè)計(jì)、施工角度提出預(yù)防樁基沉降的處置措施；李王輝等[3]分析了廣州某高速跨線橋樁基沉降原因?yàn)闃秱?cè)存在較厚的泥皮，降低了樁側(cè)摩阻力，采用在舊樁旁增設(shè)嵌巖樁的方式進(jìn)行加固。 但這些研究均基于同個墩均勻沉降，對于同個墩不同樁基不均勻沉降的情況尚未有相關(guān)研究，由于柱式墩的柱距通常比跨徑小，此種情況下不均勻沉降更為不利，本文以某高速公路預(yù)應(yīng)力鋼筋砼準(zhǔn)連續(xù)T 梁橋?yàn)槔瑢Υ祟惽闆r進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的加固措施。

1 工程概況

某高速公路預(yù)應(yīng)力鋼筋砼準(zhǔn)連續(xù)T 梁橋，左右幅，全寬24.5 m ，單幅橋面凈寬12.0 m，下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。 設(shè)計(jì)荷載：汽車-超20 級、掛-120，1999 年建成通車。 2022 年定期檢查中發(fā)現(xiàn)左橋36# 墩墩身及蓋梁出現(xiàn)較多超限裂縫，36# 墩位于第7 聯(lián)，該聯(lián)跨徑布置為11×30 m，位于平曲線段，半徑為800 m，超高5%，墩柱直徑1.50 m，樁基直徑1.80 m，樁長為49～50 m，竣工圖顯示為端承樁。 根據(jù)檢測報告，左橋36-1#（右側(cè)）、36-2#（左側(cè)）墩墩身出現(xiàn)超限水平環(huán)向裂縫，36# 蓋梁在36-1# 和36-2# 墩頂位置出現(xiàn)大量豎向、斜向裂縫。 橋墩水平裂縫位于墩柱右側(cè)，最大寬度達(dá)到2.26 mm，36-1# 墩頂蓋梁裂縫位于上緣，36-2#墩頂蓋梁裂縫位于下緣，最大寬度為0.84 mm（圖1）。對比近三年下部缺陷檢測報告，發(fā)現(xiàn)大部分橋墩、 蓋梁裂縫均存在縫寬縫長均逐年增加的趨勢。36#墩墩頂T 梁梁底存在橫向裂縫、腹板斜向裂縫及現(xiàn)澆段豎向裂縫（圖2～3）。此外，支座發(fā)生橫向剪切變形，最大角度達(dá)10°，蓋梁右側(cè)擋塊也出現(xiàn)頂裂現(xiàn)象（圖4～5）。

圖1 左橋36# 橋墩、蓋梁裂縫示意

圖2 墩頂現(xiàn)澆段豎向裂縫

圖3 支點(diǎn)附近橫向、斜向裂縫

圖4 右側(cè)擋塊擋塊頂裂

圖5 支座橫向剪切

2 原因分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及現(xiàn)狀橋面線形、橫坡測量與原設(shè)計(jì)對比，除左橋36# 墩實(shí)測橫坡（3.4%）與原設(shè)計(jì)（5.0%）相差比較大外，其余橋墩相對接近，因此推測大橋左橋36-2#（外側(cè)）樁基相對36-1# 樁基產(chǎn)生了不均勻沉降，由樁間距推算得到沉降差約10 cm，從而導(dǎo)致墩身、蓋梁兩側(cè)墩頂位置產(chǎn)生較大的彎矩，使墩身、蓋梁出現(xiàn)大量超限裂縫，同時樁基的不均勻沉降也使蓋梁橫向位移，支座發(fā)生剪切變形，內(nèi)側(cè)擋塊被擠壓開裂。

經(jīng)查歸檔資料， 設(shè)計(jì)文件中左橋36# 橋墩樁基均按端承樁設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)樁長為55 m。 但竣工圖顯示，該墩樁基提前約5 m 終孔，實(shí)際樁長為49～50 m。為了核實(shí)地質(zhì)情況，在樁位旁邊各補(bǔ)鉆1個孔，新地勘結(jié)果與原地勘接近，樁長為50 m 時樁基尚未入巖，故為摩擦樁，因此左橋36-1# 樁基沉降的根本原因是摩擦樁單樁承載力不足。 樁底標(biāo)高對比見表1。

表1 樁底標(biāo)高對比

3 沉降影響分析

采用Midas Civil 分別建立單墩模型及上部結(jié)構(gòu)，以土彈簧模擬樁土約束情況，通過節(jié)點(diǎn)強(qiáng)迫位移模擬樁基不均勻沉降，計(jì)算結(jié)果如表2～4、圖6～7所示。

表2 蓋梁抗彎計(jì)算結(jié)果

表3 橋墩抗彎計(jì)算結(jié)果

圖6 不均勻沉降下部彎矩分布圖

由表2～3 可以看出，沉降引起的墩柱、蓋梁在墩頂附近的彎矩遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)抗力，因此可以判定該區(qū)域范圍結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)已超出彈性狀態(tài)，進(jìn)入了彈塑性工作狀態(tài)，表現(xiàn)為混凝土結(jié)構(gòu)開裂（圖1），Midas計(jì)算所示的彈塑性區(qū)域與結(jié)構(gòu)的實(shí)際病害情況吻合度較高。 由表4 可以看出，沉降引起的彎矩對外邊梁的受力影響最大，36# 墩頂為正彎矩，35#、37#為負(fù)彎矩，且內(nèi)力遠(yuǎn)大于支點(diǎn)截面抗力，因此可以判定該區(qū)域范圍結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)已不屬于彈性狀態(tài)，進(jìn)入了彈塑性工作狀態(tài)，由于準(zhǔn)連續(xù)梁在支點(diǎn)位置配筋較弱，當(dāng)支點(diǎn)內(nèi)力較大時，容易在該位置開裂（圖2～3）。

表4 不均勻沉降35#、36# 墩頂邊梁受力情況（單位：kN·m）

4 樁基沉降量評估

若簡單從36# 墩的橫坡與設(shè)計(jì)對比分析，沉降差已達(dá)到10 cm， 該沉降量對于柱式墩而言是巨大的，由于墩柱間距較小，蓋梁與墩柱是剛接，較小的沉降差就會引起蓋梁和墩柱較大的內(nèi)力， 當(dāng)發(fā)生10 cm 沉降差時，內(nèi)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過結(jié)構(gòu)的抗力，結(jié)構(gòu)可能已經(jīng)發(fā)生極限破壞，甚至倒塌，但實(shí)際僅表現(xiàn)為受拉區(qū)較多較寬裂縫，受壓區(qū)并沒有壓碎，因此僅根據(jù)橫坡判斷沉降量并不可靠。

為了進(jìn)一步判斷沉降量的大小，對該聯(lián)橋面線形進(jìn)行復(fù)測，從而推算得到各墩高程，并與竣工圖高程進(jìn)行對比分析。 由于缺少絕對高程控制點(diǎn)，采用相對高程的方式對比，基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇原則是確保所有墩柱沒有上浮，對比結(jié)果如圖8～9 所示。 由圖可知，各墩相對33-1# 墩柱存在不同程度的沉降，且差異較大，最大達(dá)200 mm；除了36# 墩兩墩柱沉降差較大外，其余橋墩兩個墩柱間也存在一定的沉降差，根據(jù)理論計(jì)算，沉降9 mm 時，蓋梁內(nèi)力將超過抗力，但根據(jù)歷年檢測報告，并未發(fā)現(xiàn)明顯的相應(yīng)裂縫，綜合上述數(shù)據(jù)對比，推測原竣工高程可能偏差較大。

圖8 樁基相對沉降圖

圖9 內(nèi)外側(cè)樁基沉降差

5 加固方案

5.1 加固思路

（1）樁基加固

左橋36# 橋墩沉降為摩擦樁單樁承載力不足引起的下沉，進(jìn)而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)混凝土開裂，病害表征為36-2# 樁基沉降，若僅是該樁沉降，可在外側(cè)增加1 根樁基，通過小承臺進(jìn)行連接，從而替代36-2# 樁基。 但根據(jù)地勘結(jié)果，36-1# 樁基也是摩擦樁，橋面線形測量對比表明也可能存在沉降，因此，僅增加1 根樁基并不穩(wěn)妥，為避免加固后36-1# 樁基發(fā)生沉降，對36# 墩采取整體抬樁加固，從而提高樁基豎向承載力，阻止沉降進(jìn)一步發(fā)展。具體方案為在36-1#、36-2#墩柱前后4 m 處各布置1 根（共4 根）直徑1.5 m 樁基，采用矩形承臺進(jìn)行新舊樁基連接，承臺高度2.7 m，承臺與舊墩樁采用鑿毛植筋方式進(jìn)行連接，舊樁周應(yīng)布置加強(qiáng)箍筋提高新舊結(jié)構(gòu)聯(lián)系，受舊樁影響，承臺縱向主筋無法布置于樁頂，為了更好地起到承載作用，承臺縱向主筋應(yīng)盡量靠近舊樁布置，布置于舊樁兩側(cè)各1 m 范圍內(nèi)。 樁基加固立面見圖10。

圖10 樁基加固立面圖

（2）墩柱蓋梁加固

蓋梁和墩柱裂縫寬度遠(yuǎn)超規(guī)范限值，可能已進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，剩余承載力難以評估，尤其蓋梁加固計(jì)算復(fù)雜，考慮該墩墩高較矮，采用樁基承臺加固后，剩余墩高約1 m，因此選擇實(shí)體墻包住墩柱，連接蓋梁與承臺。新增承臺與蓋梁間采用C40 無收縮自密實(shí)混凝土實(shí)體墻連接，實(shí)體墻長10 m，寬1.7 m，平均高約度1 m，通過預(yù)埋豎向鋼筋與承臺連接。 蓋梁、實(shí)體墻和承臺連為一體后將共同受力，剛度較大，受力明確，蓋梁無需另外加固，該方案既經(jīng)濟(jì)又美觀。 加固方案示意見圖11。

圖11 加固方案示意圖

（3）橋面橫坡處理

36-2#樁基沉降后導(dǎo)致36#現(xiàn)狀超高明顯小于設(shè)計(jì)超高，對行車安全不利，根據(jù)規(guī)范要求，原設(shè)計(jì)為允許最小超高，因此有必要進(jìn)行橫坡復(fù)位或采取限速措施。 但對于高速公路來說，長期限速是不合適的。 由于樁基不均勻沉降帶著梁體豎向位移，使35#、37# 及36# 墩受力較大，36# 墩墩頂梁體開裂，但35#、37# 墩墩頂橋面鋪裝沒有明顯的反射裂縫，同時蓋梁橫向位移也使支座發(fā)生剪切變形，但是剪切變形尚未超過15°。綜合前文分析，為了穩(wěn)妥起見，暫不考慮頂升復(fù)位，先通過限速管控，并同步開展相關(guān)課題研究，根據(jù)研究成果采取進(jìn)一步對策。

5.2 加固施工要點(diǎn)

（1）交通管控。 為了保證施工過程橋梁安全，加固施工期間維持壓道限載交通管控，即僅保留一個超車道通行，限制重車通行。

（2）臨時支撐卸載。 為避免打樁過程對舊樁的擾動，采用臨時鋼管樁支撐梁體，分擔(dān)30%上部恒載。 臨時鋼管樁支撐體系為采用6 根φ800 mm 鋼管樁加上2 組I63 雙拼橫梁構(gòu)成，鋼管樁為前后2 排、每排布置3 根，如圖12 所示。 臨時鋼管樁支撐需在承臺施工完成后方可拆除，其布置位置應(yīng)避開承臺受力主筋，同時也要使橫梁受力均勻。 臨時鋼管樁以橫梁為反力支撐，通過千斤頂反壓打入土中，當(dāng)頂推力達(dá)到設(shè)計(jì)要求時，即可停止頂推，改用臨時墊塊支撐，后續(xù)施工過程如有必要，可繼續(xù)頂推增大支撐力。 臨時鋼管樁支撐體系見圖12。

圖12 臨時鋼管樁支撐體系

（3）樁基施工。 沖擊鉆具有擠土、振動效應(yīng)，對軟基區(qū)既有摩擦樁影響較大，且受凈高限制，無法使用常規(guī)的回旋鉆和旋挖鉆， 宜采用低矮回旋鉆，在進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖層時，低矮回旋鉆扭矩不足，難以鉆孔，為了使樁基進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化持力層，只在強(qiáng)風(fēng)化巖層改用沖擊鉆繼續(xù)施工，盡可能減小對舊樁的影響。 受凈空影響，無法利用吊車作業(yè)，因此需要通過改裝沖擊鉆機(jī)代替吊車進(jìn)行鋼護(hù)筒和鋼筋籠的吊裝，鋼護(hù)筒及鋼筋籠宜每3 m 1 節(jié)，并采用叉車運(yùn)輸。 打護(hù)筒采用沖擊鉆，成孔換成回旋鉆，吊鋼筋籠再改用沖擊鉆吊裝，多臺設(shè)備在狹小空間內(nèi)需要多次移位，只能靠人工和小型機(jī)械操作，耗時長、效率低，工期將大幅增加，因此編制預(yù)算的時候應(yīng)考慮這些因素所產(chǎn)生的費(fèi)用，確保預(yù)算合理。

（4）樁基施工完成后，由于新增承臺重量大，在沒有形成強(qiáng)度前主要由地基土承受，可能引起樁基負(fù)摩阻力，使樁基下沉，故在此期間仍需通過臨時支撐分擔(dān)部分荷載，確保承臺施工過程樁基不繼續(xù)沉降，承臺包裹鋼管樁。

（5）蓋梁與墩柱裂縫寬且深，在進(jìn)行實(shí)體墻施工前，應(yīng)先對裂縫采用畢可法進(jìn)行封閉。 為了保證實(shí)體墻與蓋梁底面密貼，實(shí)體墻采用無收縮自密實(shí)混凝土，如仍有間隙，可采用注漿封閉，保證協(xié)同受力。 待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求時，即可切割臨時鋼管樁，鋼管樁內(nèi)可以填充素混凝土。

6 結(jié)語

以某高速公路預(yù)應(yīng)力鋼筋砼準(zhǔn)連續(xù)T 梁橋?yàn)槔ㄟ^現(xiàn)場勘測和Midas Civil 建模計(jì)算分析了不均勻沉降的原因， 提出相應(yīng)的加固措施及施工要點(diǎn)，得出如下結(jié)論：（1）雙柱式墩樁基不均勻沉降將引起蓋梁及墩柱較大內(nèi)力而開裂，墩柱呈現(xiàn)水平環(huán)向裂縫，裂縫分布于沉降較小的樁基一側(cè)，沉降大的墩頂蓋梁裂縫位于下緣， 沉降小的位于上緣；不均勻沉降也會導(dǎo)致蓋梁往沉降大一側(cè)水平位移，板式橡膠支座發(fā)生橫向剪切變形；（2）橫向不均勻沉降量可以通過橫坡變化推算得到，但需結(jié)合整體橋面線形變化、理論反算、上下部病害特征等方面進(jìn)一步核實(shí)，不宜僅依據(jù)某一指標(biāo)確定，否則可能因?yàn)榕袛噱e誤，導(dǎo)致頂升過量而產(chǎn)生新的病害；（3）針對樁基不均勻沉降，采取抬樁加固是較常用的有效加固措施，新舊承臺之間采用鑿毛植筋的方式進(jìn)行連接， 舊樁周應(yīng)布置加強(qiáng)箍筋提高新舊結(jié)構(gòu)連接，受舊樁影響，承臺縱向主筋無法布置于樁頂，為了能更好地起到承載作用，承臺縱向主筋應(yīng)盡量靠近舊樁布置；（4）對于沉降較大、承載力較低的樁基，抬樁施工過程中應(yīng)采取必要的交通管控及臨時支撐措施，分擔(dān)部分豎向荷載，避免施工過程擾動，導(dǎo)致舊樁進(jìn)一步沉降；采用臨時鋼管樁支撐應(yīng)注意選擇非受力主筋的位置，不影響承臺受力，以維持整個施工過程臨時支撐不拆除，待施工結(jié)束后再切除承臺以上部分；（5）舊橋抬樁加固通常受凈空高度限制，難以采用常規(guī)的打樁、吊裝設(shè)備，要根據(jù)現(xiàn)場條件，選擇低矮的操作設(shè)備，但勢必導(dǎo)致效率降低、工期加長，預(yù)算編制應(yīng)予以考慮，保證造價合理。