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软土地质条件下桥梁病害分析及防治

2013-12-25 16:08:19   来源:   评论:0

来源:桥梁工程与技术

  一、前言

  (一)软土由于其土体结构的不稳定性,给工程设计带来诸多问题,长期以来一直困扰着人们。随着工程实践中软土问题的不断解决,人们的认识也进一步深化。从桥梁病害防治的角度分析软土地区桥梁设计的特殊性,将有助于提高软土地质条件下桥梁设计的可靠性和对该类病害的防治。

  (二)软土地质一般是在静水或缓慢流水环境中沉积形成的,其强度低、压缩量大,稍受重力或外力作用便会产生变形和流动,具有明显的触变性。同时,软土地质还具有蠕变性,即在恒定的荷载下,变形随时间发展。一般地说,这种蠕动的速度很慢,但其持续时间却相当长,且蠕动的现象很普遍,它直接影响到结构的使用寿命。

  (三)软土地质的这些特性,使得理论上很难准确地模拟其实际物理特性。同时,在施工扰动、周围环境的影响下,设计与实施也存在不同程度的偏差,致使结构的受荷情况与设计的假定条件很难一致,这是软土地质条件下桥梁设计的复杂之处。文中将以福建境内闽江上的一座桥梁病害为例,在病害原因分析的基础上,探讨软土地质条件下桥梁设计的特殊性及治理和预防病害的相应对策。

  二、病害症状

  (一)建在软土地基上的桥梁,其病害的症状因地质条件差异及桥梁结构类型不同而各不相同。但因地基沉降、土体的水平变形引起的结构病害在桥梁病害中占有一定比例,以桥台及其附近的桥墩病害居多。

  (二)如位于福建闽江上的某国道桥建于1990年,该桥由预应力混凝土三角桁架、连续梁及简支梁组成,桥梁全长1850 m,设计荷载为汽-20。桥梁所处的闽江,河床泥沙冲淤特征明显,多数河岸沉积较厚的淤泥层,且淤泥埋藏很浅。

  (三)2000年对全桥检查发现,处于深软基地段的柱式桥台台前锥坡开裂,台侧翼墙损坏,临近桥台的1#墩双柱式墩身自下而上均有环状裂缝,裂缝宽度最大达0.5 mm。2#墩也有裂缝,最大缝宽0.32 mm。墩身有偏移迹象。据施工资料记载,该桥台台后填土高为9 m,台后设有拉杆。桥台处地质情况为上层近20 m的淤泥层,淤泥层下卧岩层,岩面向江心倾斜,台位及路基均未进行软基处理。实地勘察发现,桥头下游一侧有大量的后期土体堆载,且汽车超载现象严重。

  (四)为了不阻断交通,未对桥台内部进行检查。但根据台前锥坡及1#墩的病害现象及工程资料记载分析,柱式桥台可能有一定程度的破坏。

  三、病害原因分析

  软土地质条件下的此类桥梁病害从客观上讲与软土变形有关。但病害的发生却涉及到设计、施工、运营等方面的人为因素。

  1、设计影响

  (1)由于软土地质的特殊条件,使得结构的理论设计与实际情况存在一定的偏差。就设计而言,对地质条件、施工干扰、周边环境等因素的影响考虑不周,均有可能导致病害的发生。

  (2)常年以来,桥梁桩基计算都采用“m”法计算。而在软土地基中,水平力作用下的桩体水平变位较大,桩的受力模式与“m”法的计算模式有较大的差异。

  (3)首先,“m”法假设土体为完全弹性体,地基反力系数在地面处为零,地面以下随深度以m:1的比例变化,土质不同只是系数大小的问题。这些假定与正常固结粘性土和一般情况下的砂土地质情况基本符合,但对于软土地质,其地基土抗力系数m值的适用范围却是有限的。规范规定灌注桩的m取值范围相应于单桩在地面处的水平位移为6~12 mm,而软土地质中的桩基位移量往往超出其限定范围,尤其是软土地质上的高填土柱式桥台,在台后填土压力及动载的作用下,其水平变形量往往超出“m”法的限制范围,土体变形已不属于弹性变形,“m”法计算中土的弹性抗力假定是否适用值得怀疑。大量工程实测表明,当桩基的位移量较大时,计算结果与工程实测值差异较大。

  (4)其次,“m”法按ah=4的条件确定‘有效桩长’,即认为桩长超过此值,对于桩顶位移和最大弯矩计算都不起作用。计算是在假定桩长的前提下,确定桩基的最大弯矩和弯矩零点,这在一定程度上忽略了桩土及外力间的相互整体作用,随意性较大。实际上,在软土地基中,水平力作用下的桩体水平变位较大,就对桩顶位移和最大弯矩计算的影响而言,桩长的取值并不仅限于桩土本身的特性,还与其所承受的外力有关。全面考虑桩土特性及受力条件,通过桩的受力平衡条件来确定计算桩长,方可使计算接近实际情况。有关资料显示,在软土地质条件下,设计中若以ah=4的范围作为计算桩长考虑配筋,则往往造成最大弯矩及弯矩零点位置判定的错误,导致配筋长度的不足及在仍需配筋的范围不配或少配钢筋。

  (5)除了计算模式的问题外,软土地质对结构物所形成的附加荷载在设计中未考虑周 全,也是导致病害发生的原因之一。由于软土地质的变形作用,软土地质条件下的构造物较非软土地质下的构造物承受更多的附加荷载。如桥台的台后填土,实际上可视为在土体上的局部后加载,软土地质上的后加载,在导致桩周土下沉产生负摩阻力的同时,还可能使土体产生侧向变形,在陡岸上还可能引起地基土的塑性挤出,它将给桩基以附加水平土压力。高填土深软基桥台,若未在桥台附近一定范围内进行软基处理,桥台及邻近桥台的桩基均可能承受由于土体变形产生的水平附加力,此水平附加力在设计中若未加以考虑,则有可能造成构造物基础的破坏。

  (6)从结构设计的角度上讲,桥台附近一定范围内的软土若未加以处理,不平衡荷载作用下的软土变形,除可能导致结构物破坏外,还可能导致诸如台后路基塌陷、软土滑移、蠕变等其他病害的发生。

  2、施工影响

  (1)软土地质桥梁施工工艺及顺序安排,对桩基的受力影响极大,主要表现在对桩基承受的附加力和桩基承载力方面。

  (2)施工顺序直接影响到桩基承受附加力的大小,主要表现在软基处理与构造物施工的顺序上。在软基处理的过程中,软土地质的压缩性使土体产生较大的横竖向压缩变形,这一变形对处于其中的构造物形成作用力。竖向压缩对构造物产生负摩阻力,水平向变形对构造物产生水平向推力。软基处理若在桩基形成后进行,除可能对桩基形成负摩阻力外,还将对桩基形成水平压力,当此水平力足够大时,极可能造成断桩。实际工程中,由于构造物先于软基处理施工而引起结构破坏的情况时有发生。

  (3)施工对桩基承载力的影响主要是由于软土的触变性形成的,软土的触变性使施工扰动对桩基承载力影响加剧。钻孔灌注桩在成孔的过程中破坏了土体的天然结构,同时,孔壁土体孔隙水压力上升,使桩周及桩端强度降低,受施工土体扰动的影响,桩基承载力明显降低,这一点在常规的桩基设计中很难加以考虑。虽然桩基承载力会随时间的增长而增长,但由于软土具有触变性,结构恢复及桩周土体孔隙水压力消散较慢,桩基承载力的提高过程较长,在施工周期较短的工程中,上部及运营荷载在短期内的增加,对承载力的提高及利用均不利。

  3、后期环境影响

  (1)桥位周围环境对软土地质的不良影响也是诱发桥梁病害发生的原因。当台侧堆载时,由于软土地质强度低,具有压缩性和蠕动性,桥台周围的荷载对下卧软土及桥位土体 产生压力,除了可能增加纵桥向的土体变形外,桥台两侧的不平衡或单侧堆载,还将使土体产生横向变形,对桥梁桩基产生横桥向推力,造成桩基偏位。此外,任何超负荷的加载还可能引发土体的蠕动。文中所列举桥梁的1#墩,观测到有一定量的纵横桥向位移。经分析,该位移与桥头单侧大量的后期土体堆载有关,车辆超载也在一定程度上加剧了土体变形的发展。

  (2)通过上述分析可以看出,软土地质的客观因素与设计、施工、运营环境等人为因素组成了桥梁病害发生的综合因素,软土地基桥梁病害发生的原因是多方面因素相互作用的结果。

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