聊城市沙镇扈庄灌区中软土地基上桥涵安全的影响与对策

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  摘　要：笔者所在的聊城市东昌府区沙镇扈庄灌区地处全国大型灌区位山灌区三干渠的上游，控制面积12.8万亩，灌区内有各种桥涵500余处。我根据多年施工经验和现场调查，分析软土地基上桥台发生病害的原因，提出了桥台设计、施工中应注意的问题和预防措施。

　　关键词：软基上的桥台；病害分析；预防措施

  　  一、前言

　　软土地基主要是指天然含水量较高、压缩性大、抗剪强度低的细粒土，或由空隙率大的有机质泥炭松砂组成的土层。在外荷载作用下能产生较大的变形，软土还具有流塑性，即在相当小的剪力作用下也能产生缓慢的水平位移。在软土地基上建桥时，经常出现的问题有：一是软土地基压密下沉对基础的影响，二是填土引起的软土地基的塑性流动对基础的影响，根据以往施工实践和桥梁调查分析，在软土地基上建造的许多桥梁中，病害发生在桥台上的较多，如：桥台下沉、桥台前倾、U型桥台前墙与侧墙撕裂分离、一字型桥台分段竖向开裂、桥台桩基前移或环状裂缝、桥头错台跳车、桥头高路堤滑坡等等，有的桥台通车几年后就不能使用，需要花上很多时间和经费处理，给正常使用和养护带来极为不利的影响，这些问题经过调查和分析，主要原因是在桥台设计方面考虑不周和施工方法不妥造成的。本文就桥台病害分析、预防措施及做好桥台设计与施工分述如下：

    二、软土地基上桥台的病害分析

　　软土地基上桥台的病害，一般分为两种：桥台下沉和桥台前移。这两种病害有时单独出现，也有同时发生和相继发生。而桥台的下沉有均匀下沉和不均匀下沉两种：桥台的前移还伴随着桥台整体倾斜或撕裂的情况，这都影响到桥梁的使用性能和行车安全，给养护管理带来许多困难。

　　1　桥台的下沉现象

　　桥台的下沉是由于地基压密下沉而引起的。在桥台和上部构造荷载的作用下，引起土层的再固结，基底被压密下沉，导致桥台下沉。

　　桥台的下沉通常是地基中有一层或几层压缩性大的软土，当桥台基础为浅基础时，例：桥台台身和基础采取浆砌片石砌体或片石砼，而施工时对地基做换填处理，或打入钢筋混凝土桩等，因自身重量较大，并在上部荷载作用下，久而久之，桥台也出现下沉，如桥台下沉是均匀下沉，而下沉量不大时，则是引起桥面产生裂纹和行车不舒适，不会导致桥梁的破坏，如下沉量过大，就会影响桥梁的使用，引起桥梁破坏，甚至成为危桥。如桥台不均匀下沉，通常会引起桥台基础和台身的竖向开裂，其原因主要是桥台基础为石砌基础或砼基础，且基础长宽比偏大，基础底面的土体应力成马鞍形分布，中间大，两侧小，从而引起中间下沉大，两侧下沉小，加上基础砌体的抗变形能力低，基础中间容易被拉裂，这种裂缝直接反射到台身上，引起台身开裂。桥台基础为深基础时，例：桩基础桥台也发生下沉，在庄户公路上有一座70年代初建造的公路简支T型桥梁，当时设计的荷载偏低，桩基按摩擦桩设计，为16m长40Cm×40Cm打入钢筋混凝土方桩，由于交通量和荷载增大，近几年桥台逐年下沉，到1997年已下沉了30多厘米，影响交通安全，后将桥台加固和台帽加高才恢复桥梁的正常使用。

　　2　桥台前移现象

　　修建在软土地基上的桥台，若台背填土过高，地基强度不足，就会引起地基失稳出现塑性滑动，产生作用于桥台的水平力，使桥台产生水平位移和(或)倾斜。由于地基失稳滑动，U型桥台整体滑动或前墙前移和侧墙在连接处产生撕裂分离，一字型桥台墙身前移产生分段开裂，钻孔桩基桥台，桩基上部偏移，有的在桩基上部桥台前缘河心方向水平开裂，裂缝深有半个桩基，裂缝间距约20-50cm之间。因为桩身上部在地表下0-3m范围受到较大水平力所产生的挠曲而开裂。

　　由于桥台前移而引起的桥梁上部构造破坏，一般有以下几种情况：

　　(1)支座和墩台支承面破坏；

　　(2)伸缩缝装置破坏和接缝宽度不够，使伸缩机能受阻；

　　(3)当移动量过大时梁端与台背紧贴，严重时导致背墙破坏或梁端局部压碎。

　　例如：建于1975的大常大桥，为4孔16mT型梁桥，因桥台建于软土地基上，基础为打入钢筋混凝土方桩，随着交通量和荷载的增大，近几年检查该桥梁两岸桥台均存在下沉，并存在由南向北小幅度倾斜。南台背墙挤靠T型梁端部，两者无空隙，且背墙被剪断破损。北台背墙离开T型梁端部空隙超出6-8cm，上部构造T型梁摆动，支座向一个方向倾斜，伸缩机能破坏，通过较大吨位车辆时，台背路面上有强烈冲击感，墙面有挫动等情况，已成为危桥，于2004年进行了加固处理，才使大常大桥恢复了正常使用性能，保证了行车安全。

　　调查发现，当桥台台身为实体式桥台时，产生前移的情况较多，而桩柱式、框架式和肋板式等埋置式桥台产生前移的情况相对较少。采用桩基础时，当顺桥方向桩的排数越多，移动的程度越小，因为桩的排数多，阻止软土顺桥向的流动刚度大。

　　三、桥台病害的预防措施

　　1　要防止桥台发生下沉现象，应从以下两个方面考虑：

　（1）合理选用桥台型式和基础型式

　　宜选用体积轻巧、自重较小的轻型桥台，如桩柱式、框架式和肋板式桥台等。至于基础的型式，最好采用桩基础，利用桩支托承台，直接将桥台重量避开高压缩性软土，传递到压缩性较低、强度较高的土层上，从而减少高压缩性软土层的应力，减少下沉。当然，采用刚性扩大基础配合地基加固处理，也能减少桥台下沉，但不宜采用浆砌片石基础，而应采用钢筋混凝土基础。

   （2）人工加固地基

　　若软土层位于地表，且厚度不大，在2-4m时，将其全部挖除是最经济、最有效的办法。但当软土层埋深较大时，则应根据桥梁跨径，台后填土高度等因素确定加固方法。对于小桥涵，后台填土高度不大时，挖除部分软土，换填沙砾，可满足承载力的要求，必要时可采用打入钢筋混凝土桩的方法等。对于大跨径的桥梁通常采用桩基础和沉井基础等才能满足承载力的要求，若后台填土过高，有可能引起地基的塑性流动，则应采用诸如排水固结法或形成复合地基，提高软基的承载能力和抗剪强度。

　　2　根据上述桥台前移原因分析，防止桥台前移的方法有

　　(1)严格控制填土高度，因为填土越高，台背承受土侧压力与高度成平方比例增大，桥台就越危险。

　　(2)合理选择桥台型式和基础型式，选用埋置式桥台，利用台前溜坡平衡台背的填土荷载，必要时在台前作压重填土。大跨径的桥梁尽量采用桩基础，并合理确定桩位和排数。

　　(3)小跨径的桥梁可考虑设置支撑粱或将桥型改为箱型涵结构型式。

　　(4)人工加固地基，提高地基承载能力和抗剪强度。

　　(5)延长桥孔的方法，减少桥头路堤填土高度。

　　(6)台背填土应避免采用易于吸水膨胀的粘性土，尽量采用水稳性好的砂性土、石碴或轻质材料，以减轻路堤自重，减少台背土压力，减少沉降并增大稳定安全系数。

　　四、软土地基上桥台的设计方法

　　软土地基上桥梁墩台设计，除了必须进行一般的强度和稳定性验算外，还应进行地基变形的验算。但对桥台设计，则对后一问题的研究更重要，因为桥台受到台背填土偏心荷载的影响，对于软土地基，当台背填土超过一定的高度时，将导致地基失稳产生塑性流动，并由此引起作用于桥台的水平力，使桥台产生水平位移和(或)倾斜。

　　在设计桥台时，要根据实际情况，经过技术和经济的比较，选用合适的有效的防止桥台下沉和前移方法，通常时几种方法配合使用，才能得到理想的效果。软土地基上桥台的设计方法与一般的桥台设计方法不同之处是前者要对地基的稳定性进行验算，从而判断桥台前移的可能性，按照我国交通部颁布的《公路桥梁地基与基础设计规范》(JTJ024-85)第3．2．1条的规定，当台背填土较高且地基土质不良时，并应验算桥台与路堤可能一起沿弧面滑动的稳定性。

　　土层为软弱土层的桩柱式桥台，应考虑软弱土层和土层上面超载(路堤、活载等)所产生的水平侧压力对桩的挠曲作用。工程实践中，桥台钻孔桩产生河心方向的偏移及水平环状裂缝等病害并不少见。《公路桥梁地基与基础设计规范》(JTJ024-85)4．3．1条规定：“当基桩上部位于内摩擦角小于20的软土时，应验算桥桩因该层土施工加于基桩的水平力所产生的挠曲”。设计者需要认真处理，必须有可靠的计算方法和实践经验。必要时，可延长桥孔减少桥头路堤填土高度，使桩受到的侧压力减小，避免桩身位移或开裂。

　　软土地基上桥台的设计内容，取决于桥台是否会产生位移，如果经过验算，证实桥台不会产生前移，就可以按常规的方法对桥台进行结构设计计算，强度和稳定性计算；如果桥台存在前移的可能性，就应采取相应的措施，并重新进行验算，直至能够确信桥台不会产生位移，然后按常规的方法对桥台进行一般的计算和验算。

　　值得指出的是，当必须采取防止措施时，以采取加固地基和平衡填土减轻荷载二者并用较好，采取加大桩径或桩排数的方法，需要通过滑动稳定性验算来计算出桩的应力强度和位移量，看其值是否都在容许值以内，来判断实际效果，应有可靠的计算方法。

　　五、软土地基上桥台的施工方法

　　桥台的破坏多发生在台背填土施工中及刚完工后，故施工顺序得当，就能在很大程度上减少破坏，施工中应注意的事项有；

　　1合理安排施工顺序，在构筑桥台之前，应先做好台背填土以外的填土，设置反压护道，桥台完工后再做台背填土，也可以在台身施工时将台帽背墙留下，待台帽背墙以下的填土完成后，观测桥台变形稳定情况，无变化再建台帽和背墙后进行第二次填土。

　　2先安装上部板梁，后进行台背填土。先安装上部构造，后两侧对称进行台背填土，可减轻台背填土压力对桥台的稳定影响。

　　3缓慢填土。台背填土应缓慢进行，避免快速施工，因填土缓慢进行有利于软土地基固结稳定。

　　4预压、超载预压。在桥台处先填土预压，在修筑路堤时预先把土填的比设计标高高一些，并加宽填土宽度，以加速地基固结下沉，以后再挖除超填部分，这种预压或超载预压的方法，简单易行，但需要较长的固结时间，常需配合用砂垫层、砂井等排水措施来满足工期要求。

　　六、结束语

　　在桥梁建设实践中，因桥台下沉或前移导致桥梁破坏的事例较多，究其原因，有的是在设计时对桥台下沉和前移的可能性估计不足，未能预先提出行之有效的防止措施，有的是由于施工方法不当，特别是台背填土速度过快，致使地基因强度不足而失稳，从而引起桥台的破坏。一旦桥台发生下沉或前移，通常只能采取加固措施进行处理，并且几乎没有什么有效的办法使其恢复原状，所以在设计和施工阶段应对桥台的下沉和前移可能性进行充分的研究调查，以采取相应的对策。