不平衡堆土导致桥梁变位的安全评估及处治技术.pdf

世界桥梁2 0 2 3年第51卷第5期（总第2 2 7 期）World Bridges,Vol.51,No.5,2023(Totally No.227)D0I:10.20052/j.issn.1671-7767.2023.05.017111不平衡堆土导致桥梁变位的安全评估及处治技术邱忠南2，吕宏奎2，齐秦，王龙12（1.桥梁智能与绿色建造全国重点实验室，湖北武汉430 0 34；2.中铁大桥科学研究院有限公司，湖北武汉430 0 34)摘要：为评估不平衡堆土对软土地基桥梁结构受力安全的影响，并制定合理的病害处治措施，以某新建城市高架预应力混凝土小箱梁桥为背景，对主梁和伸缩缝偏位、墩柱倾斜、支座滑移等进行检测评估，采用MIDAS Civil软件对墩柱倾斜率和堆土厚度进行敏感性分析，提出合理的整治加固措施，并对加固后的桥墩进行承载能力评定。结果表明：短期内大量不平衡堆土导致桥墩和主梁偏位严重，墩柱最大倾斜率为7.2 7%，相邻主梁纵向间距最大为18.9cm，超出设计值8 9%；墩柱横向倾斜率增大对墩柱内力的影响较为显著，横向倾斜率为3%时，墩顶、墩底抗力均不满足要求；不平衡堆土使桩基承载力大幅下降，堆土卸载至3m厚时，桩基承载能力明显提高，但需采取加固措施才能满足承载要求。根据结构验算和评估结果，采取再次清除3m厚堆土、设置应力释放孔和高压旋喷桩、顶推主梁复位等措施进行处治后，相邻主梁纵向间距、支座滑移和墩柱倾斜恢复正常，桩基承载能力满足设计要求，纠偏措施有效，效果良好。关键词：箱梁桥；软土地基；不平衡堆土；墩柱倾斜；堆土卸载；应力释放孔；高压旋喷桩；主梁顶推复位中图分类号：U448.213；U 445.7 1文献标志码：A文章编号：16 7 1-7 7 6 7(2 0 2 3)0 5-0 111-0 80引言随着我国城市建设的高速发展，某些特殊情况下桥梁不可避免地建设在软土地基上，软土的工程特性为抗剪强度和透水性低、压缩性高、触变性强。而桥梁建设中产生的不平衡堆土会使软弱土层的平衡被扰动打破，土体移动挤压桥墩和桩基，导致桩基横向受力偏位、墩柱倾斜，造成桥梁支座产生剪切变形、滑移，带动主梁发生位移1-5。近年来，已出现多起因堆土、堆载导致的桥墩偏位、桩基变位等现象，如福州鼓山大桥匝道桥、重庆菜园坝长江大桥引桥、连云港某疏港高速公路XG互通等均因堆土导致桥墩偏位，在采取恰当的处治措施后，保障了桥梁的安全运营6-10 本文以软土地基上某新建城市高架预应力混凝土小箱梁桥为背景，对墩柱倾斜、支座滑移、主梁和伸缩缝偏位等进行全面检测评估，采用MIDASCivil软件对墩柱倾斜率和堆土厚度进行敏感性分析，并根据检测评估结果，提出合理整治加固措施，为同类桥墩纠偏整治提供参考。1工程背景某新建城市高架桥上部结构采用5X30m五收稿日期：2 0 2 2-0 5-2 6作者简介：邱忠南（198 6 一），男，工程师，2 0 10 年毕业于孝感学院土木工程专业，工学学士（E-mail:）。跨一联的预应力混凝土小箱梁，为先简支后连续结构，横桥向左、右双幅分离，单幅4车道，每幅横向设6片小箱梁，梁高1.6 m。主梁采用C50混凝土，桥面铺装采用8 cm厚C40防水混凝土十10 cm厚沥青混凝土。单个桥墩为3个墩柱十盖梁的框架柱式桥墩，墩柱直径1.6 m、高12 14m。采用钻孔灌注桩基础，为1.8m摩擦桩，桩顶设地系梁。117、122、12 7 号墩支座采用四氟滑板式支座，其它墩支座采用板式橡胶支座。桥梁立面布置如图1所示。北(小里程)南(大里程)上第2 7 联预应力混凝土连续梁十第2 8 联预应力混凝土连续梁29.95,30+30+30 29.95/29.95,30+30+30 29.95119单位：m图1桥梁立面布置Fig.1 Elevation view of case bridge桥址处原地表为池塘和水田，地表覆盖层存在填筑土、软土、粉质黏土等软弱土层，原设计地面线以下存在约13m厚的土层，其含水量高，流动性强。0.101201211241261122检测结果及病害原因分析2.1检测结果该桥2 0 2 0 年10 月14日竣工后已具备行车条件。2 0 2 0 年11月14日，桥梁管理部门日常巡查人员发现12 2 号墩处伸缩缝位移量异常增大，随即对现场桥下堆土情况进行调查，并对桥梁结构进行检测，主要结果如下。（1）现场堆土。经踏勘，该桥建成通车前，在桥下11912 5号墩附近进行了大量堆土。主要堆土历程如下：2 0 2 0 年4月至10 月，在桥址处红线内外的原地面线以上新增了56 m厚堆土，堆土区域覆盖桥址左、右侧各2 0 0 m范围。10 月陆续又堆放泥土，堆放时由渣土车全部堆放至左幅12 2 号墩附近，然后使用推土机把土方从12 2 号墩处往大、小里程两侧进行推移，造成119 12 5号墩桥下有约9m厚堆土。现场堆土情况如图2 所示。北(小里程)L第2 7 联预应力混凝土连续梁，第2 8 联预应力混凝土连续梁29.95,30 30+30 29.95/29.95,30+30+30 29.95原地面线小河11819202)122(a)堆土示意122号墩(b）现场实景图2 现场堆土情况Fig.2 Surcharge soil at bridge site（2）伸缩缝。针对12 2 号墩处伸缩缝异常情况进行进一步测量发现，左、右幅伸缩缝固定螺栓的平均纵向间距分别为47.4、47.0 cm，明显大于117号、12 7 号墩处伸缩缝宽度，且大于理论值37.6 cm；伸缩缝横向错位分别为2.8、5.2 cm（见图3）。（3）主梁。左幅12 2 号墩处相邻主梁纵向间距最大为18.9cm117、12 7 号墩处相邻主梁纵向间距最大为5.0、5.9 cm。右幅12 2 号墩处相邻主梁纵世界桥梁2023,51(5)33.534.433.947.02(a）偏位示意南(大里程)0.10第2 次堆王3mz第1次璀王6 m2335.92单位：cm125单位：m120号墩(b）现场实景图3伸缩缝偏位Fig.3Displaced expansion joint向间距最大为18.5cm，117、12 7 号墩处相邻主梁纵向间距最大为5.4、6.0 cm。12 2 号墩处相邻主梁纵向间距均大于设计值10 cm。（4）支座、桥墩。支座纵、横向剪切变形严重，且部分板式橡胶支座有明显异常滑移现象（见图4），超出了正常状态。采用全站仪对左、右幅桥墩的墩顶偏位情况进行测量，纵向倾斜率偏差最大为7.2 7%（见图5），横向倾斜率偏差较小，偏差均在3%以内。图4支座剪切滑移Fig.4 Shear slip of bearing不平衡堆土导致桥梁变位的安全评估及处治技术北(小里程)表示支座倾斜方向（被动）（主动）北1.7 6%北1.36%北3.12%北2.6 0%北0.7 6%北1.6 4%022表示桥墩向北倾斜(a)左幅北(小里程)(被动）(被动）北0.6 9%北1.7 1%北5.2 1%北1.11%北3.47%20图5墩柱倾斜测量结果Fig.5Measured results of inclined pier column（5）基桩。对桥墩基桩采用PST法进行完整性检测，未发现断桩现象，桩长与设计值基本吻合。2.2病害原因分析（1）相对原设计地面线，累计堆土厚度为8 9m。第二次新增堆土的性状接近淤泥，也属于软土。由于堆土过程中土体的不均匀性，加上工程区域内地质条件差，该区域软弱土层的平衡被扰动打破，土体移动挤压桥墩和桩基，导致桩基横向受力偏位、墩柱倾斜1-13，进而造成桥梁支座产生剪切变形、滑移，桥面伸缩缝及相邻主梁纵向间距增大等病害。（2）根据桥墩倾斜率的测量结果，两联桥墩的横向倾斜率较小，绝大部分均在3%以内；而纵向倾斜规律性较为明显：第2 7 联左、右幅桥墩大部分向北(小里程)倾斜，第2 8 联左、右幅桥墩大部分向南(大里程)倾斜。桥墩倾斜带动上部主梁分别向南、北（大、小里程)2 个方向移动，从而导致12 2 号交界墩处桥面伸缩缝间隙异常增大。右幅119、12 0 号墩主动向北倾斜，12 412 7 号墩主动向南倾斜，带动其对应的支座、主梁发生变形和滑移，进而带动其它支座变形。同理，左幅桥墩倾斜也会导致主梁滑移和支座变形。（3）该桥伸缩缝安装时主梁温度为38，检测时温度为8。单个主梁的收缩位移理论值为4.5cm。左幅12 2 号墩处相邻主梁纵向间距相比设计值（10 cm）偏大8.9cm，117 号墩处相邻主梁纵向间距偏小5.0 cm，12 7 号墩处相邻主梁纵向间距偏小4.1cm，3个桥墩处相邻主梁纵向间距偏差值合计为一0.3cm。因此，推断左幅第2 7 联（117 12 2号墩间)梁体往小里程方向纵移5cm，基本抵消了邱忠南，吕宏奎，齐秦，王龙(主动）(主动）(被动）(主动）(主动）113南(大里程)(被动）(主动）南2.8 6%南4.7 5%南3.92%南3.9 6%南2.51%325(被动）（被动）南2.0 1%南1.8 1%南7.2 7%南3.6 5%南1.49%南1.17%22?(b)右幅117号墩处主梁的收缩位移理论值4.5cm；左幅第28联（12 2 12 7 号墩间）梁体往大里程方向纵移4.1cm，基本抵消了12 7 号墩处主梁的收缩位移理论值4.5cm。右幅12 2 号墩处相邻主梁纵向间距偏大8.5cm，117 号墩处相邻主梁纵向间距偏小4.6cm，12 7 号墩处相邻主梁纵向间距偏小4.0 cm。与左幅同理得到右幅第2 7、2 8 联纵移值抵消了主梁的收缩位移理论值。3敏感性分析为评估现有病害对桥梁结构承载能力及安全性的影响，为后续维修加固提供理论支撑，基于前文所述病害的主要影响因素一一墩柱倾斜率和堆土厚度，对桥墩的内力和桩基承载力的影响进行敏感性分析。根据现场调研情况，原设计地面线以上堆土最大厚度约9 m，地质勘察报告显示，设计地面线以下有软土地基，软土底面至原设计地面线深度约为13 m。3.1计算模型采用MIDASCivil软件建立第2 7 联小箱梁空间杆系有限元模型（见图6）。主梁采用C50混凝土，桥墩、盖梁采用C35混凝土，桩基采用C30混凝土，混凝土重力密度为2 6.0 kN/m，线膨胀系数为1.010-5。预应力钢筋弹性模量为1.9510 5MPa，松弛率为0.0 35，松弛系数为0.3，抗拉强度标准值fpk=1860MPa。全桥离散为2 92 4个节点、5353个梁单元。小箱梁采用梁格法模拟。桩基侧面边界按照m法计算土体约束边界，桩基底面固结。2 种支座均采用弹性连接模拟。由于该桥尚未通车，故仅计入上部结构自重，不计人汽车荷载。(主动）（被动）(主动）26南(大里程)(主动）(主动）26(主动）1143.2不同倾斜率墩柱内力敏感性分析堆土产生的不平衡土压力会导致墩身发生纵、横向倾斜，限于篇幅，选取右幅12 1号墩为例，分析不同纵、横向倾斜率下墩柱的受力。3.2.1横向土压力根据桥墩墩柱倾斜率的测量结果，部分桥墩发生了3%以内的横向倾斜。根据现场堆土范围调研情况，对117 12 2 号墩的墩柱和桩基施加横向不平衡土压力，施加高度范围为原设计地面线以上9m和原设计地面线以下13m。取右幅12 1号墩柱的横向倾斜率分别为1%、2%、3%，分析桥墩在“恒载十横向不平衡土压力”作用下的截面内力，结果如表1所示。由表1可知：随着横向倾斜率的增大，墩顶、墩底弯矩均不断增大。横向倾斜率为1%时，其抗力均满足要求；横向倾斜率增大至2%时，墩顶抗力仍满足要求，而墩底轴力及弯矩均超出抗力要求；横向倾斜率增大至3%时，墩底最大正弯矩为10 2 8 4kNm，比1%时增大了2 19.8%，墩顶最大负弯矩为Table 1 Most unfavorable cross-sectional forces in column of pier 121 of right viaduct under different transverse inclination rates横向倾斜率/%123注：轴力受压为负，弯矩向左为正。下同。Table 2 Internal forces in column bottom of pier 121 of right viaduct under different longitudinal inclination rates纵向倾斜率/%轴力/kN3-4 8365-48397-4843世界桥梁2023,51(5)5616kNm，比1%时增大了2 10.4%，且墩顶、墩底抗力均不满足要求。3.2.2纵向土压力根据桥墩墩柱倾斜率的测量结果，部分桥墩发生了纵向倾斜，最大倾斜率为7.2 7%。考虑到桥墩的纵向刚度较小，纵向倾斜率较大，取右幅12 1号墩柱纵向倾斜率分别为3%、5%、7%，分析桥墩在“恒载十纵向不平衡土压力”作用下的墩底内力，结果如(2012)1918图6 有限元模型Fig.6Finite element model表1不同横向倾斜率右幅12 1号墩柱最不利截面内力截面位置轴力/kN墩顶4160墩底-4 215墩顶-4206墩底3894墩顶-4 251墩底-3586表2 不同纵向倾斜率右幅12 1号墩柱墩底内力弯矩/(kNm)轴力承载力Nd抗/kN-2 11410416.2-3 5116739.34.8734875.6表2 所示。由表2 可知：随着纵向倾斜率的增大，墩柱弯矩增大，而墩柱轴力变化不明显。纵向倾斜率为3%7%时，其抗力均满足要求。综上所述，墩柱横向倾斜率为3%时，墩底最大弯矩达10 2 8 4kNm；墩柱纵向倾斜率为3%时，墩底最大负弯矩为2 114kNm；纵向倾斜率为7%时，墩底最大负弯矩为48 7 3kNm，为3%横向倾斜率状态下的47.38%。由于桥墩为框架结构,墩柱横向倾斜率的改变相较于纵向倾斜率对墩柱内力的影响更大。3.3不同堆土厚度桩基承载力敏感性分析现场检测后采取临时应急处治措施，将第二次新增的3m厚堆土清除，现状地面线比原设计地面线高约6 m，永久性处治方案计划再次卸载36 m厚堆土。按照公路桥涵地基与基础设计规范（JT G D 6 3一2 0 0 7），从堆土荷载和负摩阻力的角度，对119 12 2 号墩桩基堆土6、3m厚和原设计状态承载能力进行验算。根据公路桥涵地基与基础设计规范，摩擦桩单桩轴向受压承载力容许值Ra按下式计算：Ra=轴力承载力弯矩承载力弯矩/(kNm)Na抗/kN-1809-10416.23.2166339.1-37475545.36.815一2 6 31.2-5616-3590.5102841 570.3弯矩承载力Ma抗/（kNm）7864.37024.86420.2Qikl;+Apqri=1Md抗/(kN m)7864.36905.36651.45 529.85 932.95 045.4(1)抗力是否满足要求是是是否否否抗力是否满足要求是是是不平衡堆土导致桥梁变位的安全评估及处治技术修正后的桩端土承载力特征值q.按下式计算：q,=mo入fao+k22(h-3)(2)负摩阻力N，可按下式计算：N.=u2qqnilii1qui=o0m=p+:式中，p为堆土底面均布荷载，堆土容重19kN/m，6m厚堆土状态下p为114kPa,3m厚堆土状态下p为57 kPa。其它参数具体见公路桥涵地基与基础设计规范。计算负摩阻力的影响范围和大小时，需先确定中性点深度。中性点深度即为桩身沉降与桩周土沉降相等的位置。根据分层总和法计算桩周土沉降s，可按下式计算：)(6)式中，P。为基础的附加应力;Es为土的压缩模量，桩端以下均为圆砾土；山为沉降计算经验参数，参考规范取0.2;i、i-1为平均附加应力系数。其它参数具体见公路桥涵地基与基础设计规范。根据公路桥涵地基与基础设计规范条文说明表6-2，当持力层为砾石时，中性点深度比ln/l。可取0.9。其中，l.为桩周沉降变形土层下限深度，l.为中性点深度。通过以上公式计算得到桩基的轴向受压承载力，结合有限元模型得到的桩基荷载，进而可得到桩基的轴向承载力安全系数。不同堆土厚度桩基承载力安全系数如图7 所示。2.071.60.80.40图7 不同堆土厚度桩基承载力安全系数Fig.7 Load bearing safety factor of pile foundationunder different soil thickness由图7 可知：原设计状态时，桩基承载力安全系数为1.16 1.42；堆土6 m厚时，桩基承载力安全系数为0.130.6 3，安全系数小于1，不满足规范要求；堆土3m厚时，桩基承载力安全系数为0.53邱忠南，吕宏奎，齐秦，王龙0.97,卸载后桩基承载能力明显提高，但桩基承载力安全系数未达到规范要求，需要采取其它加固措施提高桩基承载能力。(3)4加固处治技术及效果验证(4)4.1加固处治技术(5)针对病害状况、结构检测结果，采取临时应急处治措施，对第二次堆载的3m厚堆土进行卸载，并对相关桥跨的结构参数和病害情况进行实时监测，掌握病害发展趋势。卸载3m厚堆土后，该桥病害发展得到了抑制，为对该桥的结构病害进行彻底处治，恢复其正常使用功能，综合考虑施工时间及经济成本等因素，制定如下永久性处治方案：（1）再卸载3m厚堆土。最初建议再卸载6 m厚堆土（保持与原地面线一致），但考虑卸载6 m厚堆土后，桥址处与红线外地面高度不一致，会形成湖沟，不利于桥梁管养。故在现状地面线（6 m厚堆土)基础上，再卸载3m厚堆土，保证清理后堆土高度不超过 3 m。（2）桥墩地基局部处治。前述分析卸载3m厚堆土，虽桩基承载能力明显提高，但承载力安全系数未达到规范要求，因此对纵向平均倾斜率大于3%的桥墩地基采用高压旋喷桩结合应力释放孔进行处理14-17 。采用高压旋喷桩对桩周软土进行加固时，通过调整两侧高压旋喷桩布置形式和数量、配合应力释放孔，使桥墩纵向倾斜率恢复到3%以内，桩基承载能力满足要求。（3）主梁、伸缩缝复位。在桥墩盖梁上放置起顶千斤顶，分别起顶第2 7、2 8 联主梁，通过对主梁顶原设计升和适量平移，使主梁纵向复位和轴线顺接，伸缩缝堆土6 m厚堆土3m厚119120桥墩编号115也同时复位。（4）支座更换。更换部分受损支座，对未受损支座进行复位。该桥维修加固处治后，桥墩纵向倾斜率均小于3%o，相邻主梁纵向间距、支座等均复位到原设计状态，结构病害得到彻底有效的处治，恢复了正常使用121122功能。4.2处治效果验证4.2.1加固后桥墩承载能力评定采用荷载试验18 对加固后桥墩承载能力进行评定，在墩底截面布置应力测点，应力测点布置如图8所示。限于篇幅，本文仅对左幅12 2 号墩荷载试验测试结果进行分析。荷载试验采用350 kN载重汽车对左幅12 2 号-21161一注：为单向应变测点。图8 桥墩应力测点布置Fig.8 Stress measurement points in pier墩墩顶进行偏心加载。试验荷载作用下加载反力为1590kN，设计活载反力为16 2 3kN，加载效率为0.98。实测应力平均值为一0.2 0 MPa，计算值为一0.2 9 MPa，校验系数为0.6 8；校验系数小于1,表明在荷载作用下桥墩承载能力满足公路桥梁承载能力检测评定规程(JTG/TJ21一2 0 11)要求。4.2.2加固后监测结果在桥梁运营期间持续对伸缩缝处主梁相对纵向位移、桥墩倾斜进行了监测。监测期间左、右幅桥墩倾斜变化最大为0.5%。右幅12 2 号墩处相邻主梁间相对纵向位移最大值为2.47 3mm，左幅12 2 号墩处相邻主梁间相对纵向位移最大值为2.8 7 2 mm（见图9）。监测结果表明，维修加固后相邻主梁间相对纵向位移及桥墩倾斜变化较小，监测数据趋于稳定，桥墩及主梁位移未继续扩展。5 结 论（1）由于该桥处于软土地基上，短期内大量不平衡堆土导致桥墩和主梁偏位严重，墩柱最大纵向倾斜率为7.2 7%，横向倾斜率较小，绝大部分墩柱均在3%以内；部分支座异常滑移现象明显；12 2 号墩处相邻主梁纵向间距最大18.9cm，超出设计值89%；117 12 2 号墩间梁体往小里程方向纵移5cm，12 2 12 7 号墩间梁体往大里程方向纵移4.1 cm;桩基未发现断桩现象。（2）横向倾斜率的改变相较于纵向倾斜率对墩柱内力的影响更为显著。纵向倾斜率为3.0%7.0%时，其抗力均满足要求；横向倾斜率为2%时，墩底轴力及弯矩超出抗力要求，继续增大至3%时，墩顶、墩底轴力及弯矩均超出抗力要求。不平衡堆土使桩基承载力大幅下降，堆土高度为6 m时，桩基承载力安全系数为0.130.6 3，安全系数小于1,不满足世界桥梁2023,51(5)立面4左幅117 号墩-左幅12 2 号墩左幅12 7 号墩321-1、2-22一2-3020406080100120140160180时间/d(a)左幅单位：m4右幅117 号墩右幅12 2 号墩右幅12 7 号墩321一2-3020406080100120 140160180时间/d(b)右幅图9伸缩缝处相邻主梁间累计位移变化值Fig.9 Variation of cumulative displacement betweenadjacent main girders at expansion joints规范要求；卸载3m厚堆土时，桩基承载力安全系数为0.530.97,卸载堆土可使桩基承载能力得到显著恢复，但需采取加固措施才能满足承载能力要求。（3）采取再次清除3m厚堆土、设置应力释放孔和高压旋喷桩、顶推主梁复位等措施有效解决了软土地基桥梁因不平衡堆土导致的病害，使桥墩、主梁偏位回归允许范围内，桩基承载能力满足要求。（4）维修加固后的荷载试验和后续监测结果表明，采取的加固处治措施恢复了桥梁整体的安全性能，相邻主梁间纵向位移及桥墩倾斜变化较小，监测数据趋于稳定，桥墩及主梁位移未继续扩展。参考文献(References):1 侍刚，李鸥,何祖发，等软土地基桥梁的墩梁错位病害评估分析及处治J桥梁建设，2 0 19，49（S1）：26-32.(SHI Gang,LI Ou,HE Zufa,etal.Evaluation ofPier and Beam Dislocation for Bridges on Soft SoilFoundation 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rehabilitation was rated.It isconcluded that severe unbalanced soil accumulation in a short time drives the pier and main girderto displace with a large degree,the maximum inclination of the pier column reaches 7.27%o,thegap between the adjacent main girders is enlarged to 18.9 cm along the bridge length,being 1.89times of the design value.The increase of transverse inclination of pier columns significantlyundermines the internal force of the pier,with a value of 3%o,the pier-top and pier-bottomresistances were below the required levels.The unbalanced soil accumulation weakens the loadbearing capacity of the pile foundation,deloaded to 3 m,the load bearing capacity of the pilefoundation has got great improvement,however strengthening is stil