国道G240九江大桥水下桩基防护整治分析.pdf

60|PEOPLES TRANSPORTATION管理|Management序言目前我国跨江跨河桥梁众多，在水流作用下桥位所在河床不断出现冲刷或淤积。河床下切是一种不良的河床演变现象，增大桥梁水下桩基露出长度，减少水下桩基的入土深度，降低其承载能力，影响桥梁结构安全。本文以国道G240九江大桥水下桩基防护工程作为研究对象，分析水下桩基防护思路，探讨合理可行的防护措施。桥梁概况国道G240九江大桥位于广东省佛山市南海区九江镇与江门市鹤山市沙坪镇之间，是国道G240中连通佛山与鹤山的一座特大桥，横跨西江主干道，于1988年6月国道G240九江大桥水下桩基防护整治分析在桥梁结构运营过程中，随着时间流逝河床高程不断变化，部分位置出现下切或抬升，使桥梁水下桩基出现冲刷或淤积，河床的下切导致桩基承载能力急剧降低，影响桥梁结构承载力和运营安全。本文通过回顾国道G240九江大桥水下桩基防护工程，分析水下桩基防护整治思路，掌握合理可行的防护整治措施，丰富桥梁水下桩基防护整治经验。文/饶宏捷 冯常芳建成通车。跨 径 组 合 为1316(空 心 板)+(140+650)(北 岸连续箱梁)+(160+160)(独塔斜拉桥)+(100+100)(南主桥重建)+(950+140)(南岸连续箱梁)+716(空心板)，桥梁全长1670m。所在公路等级为一级公路；设计荷载：汽车20级，挂车100，人群荷载350kg/m2。桥面宽度：净-14+20.75m(人行道)，总宽16m(两侧栏杆外缘距离)，按四车道设计；地震烈度：按度设防；通航要求：I级航道，3000吨级海轮，双孔单向通航，每孔通航净高22m，原设计通航孔净宽80m，设计主墩能够承受顺水向船舶撞击力12MN。（1）北主桥160m 独塔斜拉桥概况，见表1。（2）2007年南主桥2226桥墩间200m箱梁受船表1 北主桥独塔斜拉桥概况序号桥梁结构结构内容1主桥结构（160+160）m两跨独塔混凝土梁斜拉桥，塔墩梁固结体系，采用H型索塔，竖琴型平面索型布置。每侧18对拉索，共有144根拉索。2上部结构单箱四室断面，梁高250cm，全宽1890cm，箱梁混凝土标号为500。3下部结构20#过渡墩：斜拉桥过渡墩，为空心墩，通过承台与4根桩相连。设计桩基采用变截面，上半截桩径D300cm，中间为D240cm，嵌岩处为D200cm。21#过渡墩：斜拉桥主墩，为空心墩，在桥面处与塔梁固结，通过承台与18根桩相连。桩基采用变截面，上半截桩径D300cm，中间为D240cm，嵌岩处为D200cm。22#过渡墩：斜拉桥过渡墩，为空心墩，通过承台与4根桩相连。设计桩基采用变截面，上半截桩径D300cm，中间为D240cm，嵌岩处为D200cm。PEOPLES TRANSPORTATION|612023 年 第 18 期 舶撞击坍塌，重建采用(100+100)m独塔双索面组合梁斜拉桥，塔、梁、墩固结，H型索塔，桥梁全宽20.1m。由于坍塌梁体侵占原设计桩位，在原设计桩位处无法钻孔施工，对26#墩采用增大横向桩间距，避开了原桩基位置。南主桥重建墩概况，见表2。3）南、北主桥50m连续箱梁结构概况，见表3。水下桩基病害情况及原因分析近几年水中桩基检测结果1）2017年水下桩基检测16#34#墩共106根桩。检测结果：22墩1#8#桩基下部无包裹区域桩身存在破损露筋现象，多处露筋处掏空，其余桩基均有钢护筒包裹，护筒末端埋入河床，无法检测内部情况。水下桩基评定结果见表4。2）2019年水下桩基检测22#墩的18根桩。检测结果：桩身A1#A10#有钢护筒包裹，从承台底向下延伸入河床；1#8#桩身有钢护筒包裹，从承台底向下延伸均未入河床，下部无护筒的桩身局部有破损露筋现象。22#墩桩基评定结果与 2017年一致，桩基评定结果见表5。3）2021年水下桩基检测16#34#墩共87根桩。检测结果：22墩1#8#桩基下部无包裹区域桩身存在不同程度破损露筋现象，多处露筋处掏空，桩基评定结果见表6。4）国道G240九江大桥部分桩基存在不同程度破损露筋现象，多处露筋处掏空。分析推断其病害起因如下：无钢护筒包裹桩基表面松散、凹凸不平、局部夹泥，保护层厚度不足，局部钢筋露出。河床下切致使无钢护筒包裹的桩基露出河床，水表2 南主桥重建墩概况序号桥梁结构结构内容1下部结构24#过渡墩：南主桥主墩，在桥面处与塔梁固结。承台采用哑铃型截面，桩基础设计采用 8 根2.5m 钻孔灌注桩基础，按嵌岩桩设计。26#过渡墩：由于坍塌梁体侵占原设计桩位，在原设计桩位处钻孔无法实施。对 26#墩桩基增大横向桩间距，避开原桩基位置，相应增加承台横向跨径。墩身采用带帽头的薄壁式墩，墩身为 12.5m2m（横纵）的矩形墩，帽头纵桥向宽为 3m，横向 19.1m。桩基础设计采用 4 根2.5m 钻孔灌注桩基础，按嵌岩桩设计。表3 南、北主桥50m连续箱梁结构概况主桥类型桥梁结构结构内容北主桥上部结构（140+650）m预应力混凝土连续箱梁，联长340m；双箱单室断面，箱梁混凝土采用500标号。下部结构采用两根2.62m六边形实心墩，14#基础采用单排桩基础，1#为变截面桩，桩径为D250/D239cm，2#桩径为D253cm,3#桩径为D223cm；15#19#基础采用变截面单排桩基础。南主桥上部结构（1350m+140）m预应力混凝土连续箱梁，联长690m；双箱单室断面，箱梁混凝土采用500标号。下部结构采用两根2.62m六边形实心墩，基础采用双排桩基础，4D170/D150。桩基按嵌岩桩设计，要求嵌岩深度不小于2m，岸边刚度较大的桥墩，因承受水平力较大，嵌岩深度增大至3m。表4 2017年水下桩基评定结果汇总表序号评定等级桩号数量1一类桩其余桩基982二类桩22-1#、22-2#、22-3#、22-4#、22-8#53三类桩22-5#、22-6#、22-7#3表5 2019年水下桩基评定结果汇总表序号评定等级桩号数量1一类桩22-A1A10#102二类桩22-1#、22-2#、22-3#、22-4#、22-8#53三类桩22-5#、22-6#、22-7#3表6 2021年水下桩基评定结果汇总表序号评定等级桩号数量1一类桩其余桩基792三类桩22-1#22-8#862|PEOPLES TRANSPORTATION管理|Management流冲刷使原桩基混凝土表层出现剥落。近几年河床扫描检查结果2016年至2021年河床有局部冲刷与抬升情况，其中冲刷最大在26-4#桩基处，约-2.3m，抬升最大在24-1#桩基处，约+2.3m，其余桩基均有不同程度的抬升或下切现象。建桥以来河床高程演变结合本桥施工图、竣工图和桥梁水中桩基检查报告数据可知：原设计时河床高程线、目前河床高程线、原设计提供的河道最终冲刷线和桥址处岩面高程（原设计时河床摘自原水位计算资料等、目前河床资料摘自2019年检查报告等、岩面高程摘自竣工图资料），见图1。图1 国道G240九江大桥河床变化示意图由图1可得出以下结论：1）北段引桥：除17#墩处目前河床冲刷最明显外，其余墩柱处河床均未达到最大冲刷线。2）主桥斜拉桥：原设计最大冲刷线在主墩22#墩，目前22#、24#桥墩处周围河床下切明显，22#墩桥墩处河床下切19.45m，24#墩桥墩处河床下切14.30m。3）南段引桥：目前27#35#桥墩处河床冲刷深度尚未达到设计最大冲刷深度。河床变化原因分析国道G240线九江大桥1988年建成通车至2010年期间，河床高程变化显著；从2010年至今，河床变化有冲有淤，整体处于较为稳定的状态。桥位位于西江干流，桥位河宽1470m左右，前期由于无序、超量的人为采砂，使三角洲水道河床普遍下切，河床形态向窄深方面发展，桥位附近断面大幅刷深，加上佛开高速九江大桥和扩建工程的实施，使主河床的桥墩基础明显扩大，也会导致桥区的河床局部冲刷有一定的加深。基于现状河床冲刷状态水下桩基可靠度分析河床下切，桩基裸露长度增加，入土深度减少，桩基周边土壤对桩基础的约束降低，桩土间相互作用变化。由于桩柱为典型压弯构件，结构极限承载能力和构件计算长度有密切关系，且当构件计算长度超过一定限度时，构件承载能力强度会急剧降低。基于现状河床线为边界条件建立有限元模型，考察河床冲刷对九江大桥水中墩桩基的影响程度，为水下桩基病害处治提供理论依据。验算工况1）北引桥17#墩、南引桥27#35#墩，以目前现状冲刷线进行桩基承载能力验算。2）2160m主桥和2100m主桥，以目前现状冲刷线进行桩基承载能力验算。3）根据历史加固资料22#墩增设桩基承台，24#、26#、27#墩为重建墩，本次计算不考虑22#、24#、26#、27#墩旧桩参与受力。验算参数1）承载能力验算的基本组合：引桥以“恒载+升（降）温15+制动力+收缩徐变”为控制性工况，并考虑活动支座对桥墩有一定约束影响；主桥以规范相应组合进行计算。2）墩顶水平力的取值：墩顶水平力在升（降）温15及制动力荷载下均会产生，在基本组合计算中该水平力方向取对结构不利方向进行计算。若该水平力大于支座摩阻力，则取支座摩阻力作为墩顶水平力计算，其中支座摩阻力为上部结构恒载支座摩阻系数，支座摩阻系数为0.05。验算模型计算采用空间有限元软件MIDAS/Civil 2021，桥梁结构按实际截面尺寸模拟。承台与群桩通过刚性连接中的主从节点来模拟两者之间的相互关系，按照“m法”计算桩基与地基的弹簧约束刚度。桩周土体下切，其顶部桩土之间作用的非线性变化过程相当复杂，采用土弹簧对 PEOPLES TRANSPORTATION|632023 年 第 18 期 桩土效应模拟时，通过减少桩基模型中的节点弹性荷载来模拟河床下切的影响。单桩竖向承载力验算结果主桥和引桥桩基竖向承载力验算结果，见表7和表8。根据表7，主桥桩基按现状冲刷高程进行竖向承载力核算，其桩基竖向承载力满足原设计规范要求。根据表8，引桥桩基按照现状冲刷线高程进行竖向承载力核算，其桩基竖向承载力满足原设计规范要求，其中17#桩端持力层为变质细砂岩，富余量较小，其余桩基均嵌入新鲜花岗岩或中风化花岗岩。桩基抗弯承载能力检算评定结果基于 2016年佛山市国省道重点桥梁专项检测及跨河桥梁水下基础检测报告 的检测结果，依据 公路桥梁承载能力检测评定规程（JTG/T J21-2011），对九江大桥下部结构当前技术状况下的承载能力进行检算评定。主桥和引桥桩基竖向承载力验算结果，见表9表11。根据表9和表10，主桥桩基按现状冲刷高程进行抗弯承载力核算，其桩基抗弯承载力均满足原设计（85规范）要求及（04规范）要求。根据表11，引桥桩基按照现状冲刷线高程进行抗弯承载力核算，其桩基抗弯承载力满足原设计规范要求，其中32#墩桩基富余量较小。桩基可靠度分析结论1）主桥桩基竖向承载力及抗弯承载力满足原设计规范要求。2）引桥桩基竖向承载力及抗弯承载力满足原设计规范要求，其中17#墩桩端持力层为变质细砂岩，富余量最小，在13%以上。水下桩基病害处治设计基于前文近几年桩基检测结果显示，22#墩1#8#旧桩基无钢护筒的桩身破损、露筋较为明显，其余桩基未表7 主桥桩基竖向承载力验算结果墩台号桩端直径（m）设计桩长（m）桩基竖向荷载（kN）轴向受压承载力容许值（kN）桩底岩层富余度（%）P20#262.7522302 32798 混合岩花岗岩32.00%P21#256.0527556 45541 细粒花岗岩39.49%P22#（新桩）2.557.117536 41540 中风化花岗岩57.78%P24#（新桩）2.54325455 96604 微风化花岗岩73.65%P26#（新桩）2.537.515458 61143 中风化花岗岩74.72%表8 引桥部分桩基竖向承载力验算结果墩台号桩端直径（m）设计桩长（m）桩基竖向荷载（kN）轴向受压承载力容许值（kN）桩底岩层富余度（%）P17-1#2.548.1521661 25038 变质细砂岩13.49%P17-2#2.6848.1522340 28222 变质细砂岩20.84%P27#（新桩）1.846.51028339331 新鲜花岗岩73.86%P28-14#1.535.510109 17037 中风化花岗岩40.66%P29-14#1.525.48662 30254 新鲜花岗岩71.37%P30-14#1.523.78560 29213 新鲜花岗岩70.70%P31-14#1.522.48393 29077 新鲜花岗岩71.14%P32-14#1.524.58338 29032 新鲜花岗岩71.28%P33-14#1.523.48195 30254 新鲜花岗岩72.91%P34-14#1.516.57860 29756 新鲜花岗岩73.59%P35-14#1.516.57783 31520 新鲜花岗岩75.31%64|PEOPLES TRANSPORTATION管理|Management见明显病害，可针对22#墩1#8#旧桩基病害处治。为避免桩基混凝土破损、露筋进一步恶化，对22#墩18#旧桩基采用水下玻纤套筒加固法，选用高强度的环氧灌浆料和高强防腐蚀玻纤套筒来完成耐久性修复工作。结语随着河床高程演变，在水流不断作用下有冲有淤，使河床局部位置出现下切或抬升现象，导致既有桥梁水下桩基处冲刷或淤积增大。河床的下切使桩基裸露长度增加，入土深度减少，桩基周边土壤对桩基础的约束降低，导致桩基承载能力急剧降低。水下桩基的正常使用是桥梁结构安全的重要部分，分析国道G240九江大桥水下桩基防护整治方案，掌握水下桩基防护思路，探讨合理可行的防护整治措施，为桥梁水下桩基防护提供技术支撑。（作者单位：佛山市南海区公路管理站）表11 引桥桩基混凝土偏心受压构件承载能力验算结果桩基编号桩径(m)桩长（m）埋置桩长(m)自由桩长(m)实际根数荷载设计值承载力富余度（%）Nd(kN)Nde(kNm)Nu(kN)Mu(kNm)172.548.1539.558.62612485 10291 187521545133.42%P27#（新桩）1.846.520.515.65875349 1768 28215932881.04%281.735.520.515244618 2117 12768585563.83%291.725.612.8212.78244329 1389 16839540474.29%301.723.710.8712.83243401 2050 9237556663.18%311.722.410.5711.83242449 2408 4152408141.01%321.724.512.7511.75242394 2466 3828394237.47%331.723.412.411242645 2338 5000441847.10%341.716.56.99.6242716 1746 8424541467.76%351.716.513.33.2243631 959 18768495680.65%表9 主桥桩基混凝土偏心受压构件承载能力验算结果（按85规范验算）桩基编号桩径（m）桩长（m）埋置桩长(m)自由桩长(m)实际根数荷载设计值承载力富余度（%）Nd(kN)Nde(kNm)Nu(kN)Mu(kNm)P203/2.462.7553.059.728137196152310911395555.9%P213/2.456.0535.2720.789634869337854831689336.4%P22新桩2.557.122.8534.25129155823562676791543974.2%表10 主桥桩基混凝土偏心受压构件承载能力验算结果（按04规范验算）桩基编号桩径（m）桩长（m）埋置桩长(m)自由桩长(m)实际根数荷载设计值承载力富余度（%）oNd(kN)oNde(kNm)Nu(kN)Mu(kNm)P203/2.462.7553.059.72815201 6654 33236 14555 54.3%P213/2.456.0535.2720.789638099 509557297766533.5%P22新桩2.557.122.8534.2512916937 5908 63559 22178 73.4%P24新桩2.54314.728.312936736 17636 57802 27759 36.5%P26新桩2.542.824.4718.3312921133 3626 76570 13141 72.3%