软土地质桥梁病害分析及防治对策
2015-05-07
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。
四、病害治理方案
（1）软土地质条件下的桥梁病害主要反映在由于地质环境的不利影响而造成的构造物破坏。对其治理一般可考虑从改善包括地质条件、周边环境在内的构造物外部环境和加强构造物抵御外部不利影响的能力上入手。具体的治理方案则应根据实际情况，综合考虑结构安全、经济效益、社会影响等多方面因素后确定。
（2）以本文所举的桥梁病害为例，此类桥梁病害较彻底的解决办法是增加桥孔，使桥台远离河岸临空面，减少桥台填土高度，对必要地段进行软基处理。然而，上述处理必须阻断交通。对于交通要道上的桥梁来说，阻断交通的处理方案不论从经济效益、社会影响上讲均非上策。该桥的治理方案，优先考虑以不阻断交通为前提的设计思路。
（3）在该桥治理方案选择中，曾考虑采用高压喷射灌浆技术，对台前及台后软土实施压浆处理，在桥台区域形成刚性较大的固结体，以抵抗台后形成的土压力，减轻土压力对桥台及临近桥墩的压力。然而，考虑到淤泥结构性很强，结构未被破坏时外观无流动现象，但一经扰动破坏，强度即明显下降。桥位处为近20 m的淤泥层，且淤泥层下卧岩层，岩面向江心倾斜，地层倾斜较大。在厚软土且具有倾斜下卧层的情况下，压浆过程中的扰动将对该区域土层及结构产生不良影响。同时，软土压浆后土体容重的增加有可能引起未固结下卧软土的滑动。为了避免上述情况的发生，淘汰了此方案。
（4）进一步的地质勘察表明，桥台附近淤泥层物理力学指标较建桥前有所改善，在边界条件不变的情况下趋于稳定。因此，以结构加固为主，尽量避免土体扰动的方案较切合实际。鉴于桥台检测困难，在桥台受损情况不明的情况下，不宜盲目对桥台实施加固。同时为避免阻断交通，决定暂不对桥台构造本身进行处理，而是通过加固1#墩来分担桥台受力，缓解台后压力对结构的影响。按1#墩承受自身及桥台传来的水平力考虑，将1#墩单排桩基加固为群桩基础，墩身双柱外包裹混凝土，加大柱径并连成整体。并在1#墩与桥台之间的锥坡上设置注浆导管，进行锥坡局部注浆固化处理，以在1#墩与桥台之间形成类似支撑梁的受力体，共同承受水平压力。2#墩也作了抬桩加固处理。同时在台前布置了三个测斜管观测点，进行土体侧向位移观测，以及时掌握桥位土体变位情况。
（5）该工程病害治理后，经过几年的运营，被加固的构件至今未发现新的病害症状。但目前的观测发现，由于在2#墩与3#墩之间新近填筑土体形成了临时汽车通道，3#墩也出现了类似2#墩的病害。这进一步说明了未作软基处理的土体在外荷作用下，对桥梁产生的不利影响。近期也对3#墩进行了加固。为了进一步掌握桥位处的地质变化情况，目前仍在继续进行土体变位观测。
五、预防措施探讨
从病害原因分析中可以看出，病害的发生除了客观原因外，人为因素在防止病害发生中可起主导作用。在对桥位的软土分布状况、物理力学特性以及可能出现的变形情况有足够认识的前提下，通过完善的设计，预计施工、运营环境对土体作用产生的后果，以及土体变化对结构物使用寿命的影响，尽早采取防范措施，可以减小病害发生的概率。从设计、施工以及后期的维护上讲，主要可以考虑以下几方面对策。
1、桥梁长度的确定
（1）经过软土区域的路线，桥梁长度的确定，在节省造价、减少病害发生的概率上起着重要作用。桥梁长度需根据软基深度、填土高度等实际情况，经技术经济比较后确定。
（2）路线经过深软基地段时，以桥梁跨越往往具有一定优势。深软基地段软基处理成本较高，且受施工技术、工期的制约，软基处理的效果不一定理想。而且在深软基上建桥台，要考虑诸多不可预见因素，尤其是高填土桥台，构造物的成本较高。早期修建的福建高速公路，一般不因为软土而增加桥梁长度，桥台往往建在深软基上。设计的原意是希望减少桥长以节省造价。而事实上，不仅软基处理代价高，结构物病害时有发生，桥头跳车问题也较突出，未达到理想的效果。
（3）处于软土地质条件下的跨河桥梁，桥台应尽量远离陡边坡河岸。虽然这样会增加桥长，但可减少由于靠河岸一侧临空面与台后的土压力差对桩基产生的不利影响。且相对于靠近陡边坡河岸设置的短桥而言，长桥台前有较大的台前土体压力，对台后填土起到了反压护道的作用，可避免土体变形对桩基产生附加力，减少蠕动变形发生的可能性。长桥方案在可靠度方面优于桥台近河岸的短桥方案。而从造价上看，虽然长桥的上部构造费用多于短桥方案，但其软基处理和下部构造的费用却有可能少于短桥方案，该两方案具有比较价值。
2、相关构造措施
（1）软基处理时，从根本上消除软土对结构物的不利影响，是避免软土地质条件下桥梁病害发生的有效措施。对于可能对构造物产生不利影响的区域，如桥台、陡坡岸上或临近桥台的桥墩附近，均应根据软土的物理力学指标、软土厚度，进行相应的软基处理，改善构造物的外部环境，以避免软土的水平方向变形对桩基产生附加水平力，并消除蠕动隐患。
（2）在桥台结构的选择上，宜采用抗水平荷载能力强的桥台形式。柱式桥台水平抗推刚度较小，在水平力作用下变形较大，在深软土地质条件下不宜采用。即使桥台附近的软土进行了改善土体特性的软基处理，由于软基处理可靠度以及时效等方面的原因，也难以保证桩基不承受土体附加力，柱式桥台的使用仍应慎重。群桩基础肋式台水平抗推刚度较大，抵抗水平荷载的能力较强，在软土地质上被广泛采用，效果较好。
（3）软土地基由于强度低、易变形，各种不可预见不利因素对桩基的影响较突出，桩基的最大弯矩点和弯矩零点也可能因受到各种不可预见因素的影响而变化。桩基设计除了在承载力上留有余地外，桩基受弯剪的范围也应考虑留有更大的余地，一般在软土层内不减少桩基配筋量，更不能在该区段设置素混凝土桩。
3、结构设计计算上的探讨
（1）软土地质条件下的桥梁桩基计算不能简单地采用常规计算方法，而应根据实际的受力特点加以分析。
（2）就计算方法而言，用假设‘有效桩长’，计算桩的最大弯矩及弯矩零点进行配筋的常规方法，在软土地质条件下应慎重采用，以免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。在桩基变形较大的情况下，计算应同时考虑桩土特性及受力条件，以整体体系来分析桩的受力模式，以使计算结果接近实际情况。同时，当桩基水平变形量超出“m”法的限制范围时，地基土抗力系数m值宜采用实测值。由于“m”法基本假定与大变形量桩基受力模式存在偏差，也可以考虑采用其他更接近于该类桩基受力模式的计算方法进行对比计算，这是需要进一步探讨的问题。
（3）当软土地质有可能因某种外力作用产生变形时，如桥台附近未作软基处理，或未能在构造物实施前达到软基处理的最终效果时，还应考虑包括软土竖向和横向变形在内，作用于桩基的附加力。
4、设计与施工的配合
设计与施工的偏差在所难免，而在人为能控制的范围内，设计与施工密切配合，能使实施与设想的情况相吻合，减少人为因素导致病害发生的可能性。如前病害原因分析所述，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。软基处理与桩基施工的顺序、桩基承载力的实现，均与施工控制密切相关，应予充分重视。
5、运营中的管理
良好的运营管理是保障结构正常使用的前提。严禁在墩台附近堆、挖土，严格控制车辆超载。不平衡或单侧堆载都有可能引起土体变形，对桥梁桩基产生附加推力。同时，任何超负荷的加载都有可能引发具有蠕动倾向的土体产生蠕动，这些人为因素造成的不利影响，只有通过管理上的控制加以防范。
此外，还应加强对地基及结构物的后期观测，尤其注意变形观测。对有可能产生蠕动变形的地质更要加以注意。
六、结语
桥梁补强加固原则。采用加固方案之前，须先考虑耗费少、功效快、不中断交通、技术上可行、有较好耐久性等方面的要求。补强加固是通过加大或修复桥梁构件来提高局部或整座桥梁承载能力的措施。因此桥梁加固工作一般以不更改原结构形式为原则，只有在较复杂的情况下，才可考虑更改结构形式。如果采用补强加固的方式仍不能达到交通运输要求，则必须考虑进行重建桥梁的部分或全部。选择桥梁加固方式时，必须考虑旧桥现状、承载能力减弱的程度以及日后交通量，最好参考已经成功完成补强加固的桥梁的施工。采用扩大或增加桥梁构件断面的方法进行加固前，应考虑增加部分与原有部件的结合效果。
随着桥梁技术的发展，结构耐久性问题引起人们的广泛关注。病害的治理和预防作为耐久性问题的重要内容，成为人们关注的焦点。由于软土地质结构多变性的缘故，软土地基桥梁病害发生、发展的可预见性较差，且病因较复杂，这增加了结构耐久性问题解决的难度，然而，尽管实际工程的情况各不相同，同一类桥梁病害还是具有一定的共同特点。通过对同一类病害特殊性的了解，能不断完善设计，有效控制病害的发生。文中所列举的实例具有一定的代表性，希望通过本文的论文能对软土地质下桥梁病害的治理及预防有所帮助。
