橋梁基礎(chǔ)沖刷懸空病害成因分析與防治
2015-07-13
近年來，國內(nèi)修建了不少跨越大江大河甚至跨越海灣的深水基礎(chǔ)、復(fù)合基礎(chǔ)，均得到較廣泛的采用，地下連續(xù)墻已開始在橋梁基礎(chǔ)中采用，超大的沉井也已經(jīng)出現(xiàn)并順利設(shè)置或下沉。這一切都標(biāo)志著，橋梁基礎(chǔ)工程技術(shù)已取得了很大的發(fā)展。
本文按基礎(chǔ)的主要類型進(jìn)行介紹。
一、深水基礎(chǔ)
基礎(chǔ)尤其是大跨徑橋梁的深水基礎(chǔ)，往往需要解決施工技術(shù)上的許多難點(diǎn)，也往往是控制整個橋梁工程進(jìn)度的關(guān)鍵工程，其費(fèi)用也占橋梁總造價相當(dāng)大的比重。
1.大直徑鋼管樁、柱。大直徑鋼管樁用作摩擦樁，經(jīng)歷兩個階段：初期一般在管內(nèi)澆筑砼，以防止鋼管的銹蝕。這樣做也會帶來一些不利影響：需在管內(nèi)取土，而對提高樁的承載能力作用不大；增大了樁的剛度，在地震時使樁頂受力增大；增加了施工難度與造價。
以后逐漸傾向于管內(nèi)不填砼，由于管內(nèi)土存在閉塞效應(yīng)，因此鋼管樁的承載能力比鋼管外壁土壤摩阻力要增大不少。而閉塞效應(yīng)的機(jī)理目前還不很清楚，因此往往通過靜載試驗來確定其承載力。具體實(shí)例如，日本跨徑240 m的濱名大橋每主墩采用49根直徑1.6 m鋼管樁，組成水上承臺。
在沖刷深、覆蓋層較薄時，往往將鋼管樁沉至巖面鉆孔嵌巖，成為管柱基礎(chǔ)。這時往往用砼填實(shí)。如日本主跨為220 m及185 m的內(nèi)海大橋，水中四個深水墩均采用直徑2 m的鋼管柱基礎(chǔ)。
2.大直徑鉆孔灌注樁。大直徑灌注樁具有承載力大、剛度大、施工快、造價省的優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外很多采用直徑2 m～4 m的大直徑鉆孔樁；而且往往采用擴(kuò)孔方法，直徑可達(dá)3 m～4 m，而在日本橫濱橫斷大橋跨徑460 m的鋼斜拉橋的基礎(chǔ)上，將多柱基礎(chǔ)嵌巖擴(kuò)孔至直徑10 m，是目前世界最大的嵌巖直徑。
在連續(xù)結(jié)構(gòu)，尤其是連拱或連續(xù)斜拉橋設(shè)計中，剛度起關(guān)鍵作用，以減少下部構(gòu)造的水平位移，減少由此引起的附加內(nèi)力。這時樁基水平向承載力不控制設(shè)計，而是剛度控制設(shè)計，大直徑灌注樁具有非常明顯的優(yōu)勢。
3.沉井。沉井基礎(chǔ)承載能力大，剛度大，可以適用于深水，但體積龐大，隨著樁基的廣泛采用，沉井的應(yīng)用范圍有所減少。不過在特大跨徑的橋梁中，沉井仍為主要基礎(chǔ)形式之一。在大跨徑橋梁的深水基礎(chǔ)上，底節(jié)多采用浮式鋼殼沉井，用雙壁空心結(jié)構(gòu)，浮運(yùn)至墩位，灌水落床，再澆筑砼，接高下沉，直至設(shè)計標(biāo)高。
二、復(fù)合基礎(chǔ)
將樁或管柱與沉井結(jié)合的一種深水基礎(chǔ)。沉井下到一定深度，封底，然后鉆孔，將沉井內(nèi)的樁嵌巖，沉井封底與樁或柱共同受力。
其優(yōu)點(diǎn)：一是可以降低承臺的高度；二是可提供樁的施工場地；三是適應(yīng)性強(qiáng)，尤其適應(yīng)在巖面標(biāo)高差異很大以及落差較大的河流；四是沉井可作防撞設(shè)施，保護(hù)樁及墩身。
三、橋梁基礎(chǔ)病害
在水中的橋墩，因為直接阻水，除了一般的沖刷以外，還有局部沖刷，在橋墩處形成局部漏斗形河床。當(dāng)河床為厚砂礫卵石層時，因水流帶動砂礫運(yùn)動，會對鉆孔灌注樁造成嚴(yán)重的磨損，甚至使樁中鋼筋外露。特別是在地面或低水位以下、凍結(jié)線以上或沖刷線附近，基礎(chǔ)或墩身常有環(huán)帶狀腐蝕，基礎(chǔ)周圍表面松散，嚴(yán)重者使砼形成空洞。
對于砼或漿砌片石擴(kuò)大基礎(chǔ)，主要缺陷是基礎(chǔ)松散破裂和基礎(chǔ)下沖空。
建立在天然地基上的淺基礎(chǔ)常見的病害有：埋置深度淺，易受沖刷而掏空；埋置深度不足，受凍害影響；地基不穩(wěn)定，易產(chǎn)生滑移或傾斜。
建立在巖石上的基礎(chǔ)常見的病害有：基礎(chǔ)至于風(fēng)化石層上，風(fēng)化部分未處理好，經(jīng)水流沖刷而掏空或懸空；受地震時的剪切作用，易產(chǎn)生裂縫。
人工地基基礎(chǔ)：因處于軟弱地基上，在豎向荷載作用下壓實(shí)沉陷，是基礎(chǔ)下沉。
木樁基礎(chǔ)：地下水位下降時，樁身常腐蝕。
鋼筋砼打入樁基礎(chǔ)：打樁時，樁身受損壞；受水沖刷、侵蝕，產(chǎn)生空洞、剝落等；受船只或其他漂浮物的撞擊而損壞。
鉆孔樁基礎(chǔ)：施工時淤泥未完全清除，就灌注砼，而使形成后的基礎(chǔ)下沉；施工不當(dāng)，或受水沖刷、侵蝕而產(chǎn)生空洞、剝落、鋼筋銹蝕等；灌注砼過程中發(fā)生塌孔而未處理，樁身部分脫空；受外力撞擊而產(chǎn)生破壞。
管樁基礎(chǔ)：承載力不足而使基礎(chǔ)產(chǎn)生下沉。
沉井基礎(chǔ)：地基下沉?xí)r，基礎(chǔ)也產(chǎn)生一些下沉；基礎(chǔ)下沉不均勻時，橋臺臺背高填土受地基土側(cè)向流動的影響時，基礎(chǔ)產(chǎn)生滑移、傾斜；中間層為弱黏土層時，由于附近施工挖基坑和填土等而變位；由于沖刷被沖走或地震而使地基液化，使基礎(chǔ)變位。
四、病害成因
對于寬淺變遷河段，由于河床坡度比上游平緩，滿水時從上游陡峻河床上推移來的大量泥沙多為卵礫石，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了平緩河床上的挾運(yùn)能力，因此河床上就發(fā)生多余泥沙的沉積，使河床逐漸升高，引導(dǎo)水流沖刷河床兩岸，使河槽遷徙不定。在這些河段早期修建的橋涵，由于受經(jīng)濟(jì)條件的制約和對水流遷徙特性認(rèn)識不足，往往是岸灘上的基礎(chǔ)埋深較淺，基底標(biāo)高與主河槽基底不一致。由于河槽擺動不定，原有岸灘若干年后可能變?yōu)橹骱硬郏率乖谢A(chǔ)外露掏刷懸空。
有些大中橋基礎(chǔ)原本是明挖基礎(chǔ)及沉井基礎(chǔ)，明挖基礎(chǔ)由于具有就地取材、節(jié)約造價、方便施工的特點(diǎn)。但在有些變遷性河段上，由于水流搬運(yùn)作用，一些淺河灘可能是過去的舊河道，多由一些卵石、砂礫石沉積而成，其深度少則幾米，多則數(shù)十米，孔隙較大，且不穩(wěn)定，因而在這樣的地段基坑不可能開挖到穩(wěn)定的老土持力層上，當(dāng)河槽變遷時，原有的灘地可能再次變?yōu)橹骱硬郏粵_刷掏空。
施工過程若施工質(zhì)量控制不好，漿砌基礎(chǔ)砂漿標(biāo)號低，砂子雜質(zhì)多、砌石石質(zhì)差、尺寸小、砌壘不規(guī)范、灌漿不飽滿，致使基礎(chǔ)整體性差，抵抗水的沖刷能力弱。另外基坑開挖時未進(jìn)行釬探，致使基礎(chǔ)坐落在軟弱下臥層上；或因設(shè)計中地質(zhì)勘探不細(xì)，地基承載力確定不準(zhǔn)；基底地質(zhì)復(fù)雜、受力不均等引起基礎(chǔ)傾斜、開裂、沉降等病害。
五、橋梁基礎(chǔ)的防治措施
對于在卵石沉積層較厚的河床上修建的橋梁基礎(chǔ)，受洪水沖刷往往會造成局部懸空，一般可采用基底壓注水泥漿的辦法進(jìn)行處理。由于砂質(zhì)河床松散、流動性大，一旦沖空就急劇擴(kuò)大，引起大面子坍塌，頃刻即可毀掉整個橋梁基礎(chǔ)，對于這類橋可采取在上游設(shè)截水墻，下游設(shè)梯級跌水墻，橋孔中間滿鋪漿砌片石的方案進(jìn)行加固。方案是采取水泥法穩(wěn)定基礎(chǔ)。根據(jù)滲水性灌漿理論，漿液的擴(kuò)散距離與壓力成正比。為了創(chuàng)造一個邊界，以使用漿量達(dá)到所需壓力，先在基礎(chǔ)周邊立模澆筑砼，然后用級配卵石回填至基礎(chǔ)墩臺頂，在回填的同時埋入10根關(guān)閉上鉆有多個細(xì)孔的壓漿管。待周圍澆筑的砼達(dá)到10 MPa時進(jìn)行壓漿。壓漿材料用425普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、鋁粉膨脹劑和水玻璃配制，為了防止?jié){液隨地下水經(jīng)卵石空隙流走，采取兩次壓漿法，即先按0.5 MPa～1 MPa壓力對外圈孔注漿，待初凝充填周圍卵石空隙后，再進(jìn)行壓漿，使壓漿壓力到1.5 MPa～2 MPa為止。對于橋位斜交角度過大又處于次穩(wěn)定性河段上的橋梁可通過采取調(diào)治、疏通上游河道的辦法改變水流方向，解決河流沖刷問題。
當(dāng)橋基礎(chǔ)被洪水沖刷掏空后，應(yīng)采取永久加固措施，確保橋基永久安全。要根據(jù)河床地質(zhì)、病害程度采取不通的措施。
六、結(jié)束語
綜上所述，應(yīng)運(yùn)用科學(xué)的手段和方法合理論證、正確判斷橋梁基礎(chǔ)病害成因，并采取可行的預(yù)防加固措施，充分發(fā)揮舊橋功能，節(jié)約資金，對保證公路運(yùn)輸安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。對于舊橋基礎(chǔ)病害的加固，不可能有一個固定模式，必須根據(jù)橋位所處地質(zhì)、水文條件、橋型結(jié)構(gòu)、施工技術(shù)條件等綜合考慮，確定出符合實(shí)際的加固方案。
