桥梁基础冲刷悬空病害成因分析与防治
2015-07-13
近年来，国内修建了不少跨越大江大河甚至跨越海湾的深水基础、复合基础，均得到较广泛的采用，地下连续墙已开始在桥梁基础中采用，超大的沉井也已经出现并顺利设置或下沉。这一切都标志着，桥梁基础工程技术已取得了很大的发展。
本文按基础的主要类型进行介绍。
一、深水基础
基础尤其是大跨径桥梁的深水基础，往往需要解决施工技术上的许多难点，也往往是控制整个桥梁工程进度的关键工程，其费用也占桥梁总造价相当大的比重。
1.大直径钢管桩、柱。大直径钢管桩用作摩擦桩，经历两个阶段：初期一般在管内浇筑砼，以防止钢管的锈蚀。这样做也会带来一些不利影响：需在管内取土，而对提高桩的承载能力作用不大；增大了桩的刚度，在地震时使桩顶受力增大；增加了施工难度与造价。
以后逐渐倾向于管内不填砼，由于管内土存在闭塞效应，因此钢管桩的承载能力比钢管外壁土壤摩阻力要增大不少。而闭塞效应的机理目前还不很清楚，因此往往通过静载试验来确定其承载力。具体实例如，日本跨径240 m的滨名大桥每主墩采用49根直径1.6 m钢管桩，组成水上承台。
在冲刷深、覆盖层较薄时，往往将钢管桩沉至岩面钻孔嵌岩，成为管柱基础。这时往往用砼填实。如日本主跨为220 m及185 m的内海大桥，水中四个深水墩均采用直径2 m的钢管柱基础。
2.大直径钻孔灌注桩。大直径灌注桩具有承载力大、刚度大、施工快、造价省的优点。国内外很多采用直径2 m～4 m的大直径钻孔桩；而且往往采用扩孔方法，直径可达3 m～4 m，而在日本横滨横断大桥跨径460 m的钢斜拉桥的基础上，将多柱基础嵌岩扩孔至直径10 m，是目前世界最大的嵌岩直径。
在连续结构，尤其是连拱或连续斜拉桥设计中，刚度起关键作用，以减少下部构造的水平位移，减少由此引起的附加内力。这时桩基水平向承载力不控制设计，而是刚度控制设计，大直径灌注桩具有非常明显的优势。
3.沉井。沉井基础承载能力大，刚度大，可以适用于深水，但体积庞大，随着桩基的广泛采用，沉井的应用范围有所减少。不过在特大跨径的桥梁中，沉井仍为主要基础形式之一。在大跨径桥梁的深水基础上，底节多采用浮式钢壳沉井，用双壁空心结构，浮运至墩位，灌水落床，再浇筑砼，接高下沉，直至设计标高。
二、复合基础
将桩或管柱与沉井结合的一种深水基础。沉井下到一定深度，封底，然后钻孔，将沉井内的桩嵌岩，沉井封底与桩或柱共同受力。
其优点：一是可以降低承台的高度；二是可提供桩的施工场地；三是适应性强，尤其适应在岩面标高差异很大以及落差较大的河流；四是沉井可作防撞设施，保护桩及墩身。
三、桥梁基础病害
在水中的桥墩，因为直接阻水，除了一般的冲刷以外，还有局部冲刷，在桥墩处形成局部漏斗形河床。当河床为厚砂砾卵石层时，因水流带动砂砾运动，会对钻孔灌注桩造成严重的磨损，甚至使桩中钢筋外露。特别是在地面或低水位以下、冻结线以上或冲刷线附近，基础或墩身常有环带状腐蚀，基础周围表面松散，严重者使砼形成空洞。
对于砼或浆砌片石扩大基础，主要缺陷是基础松散破裂和基础下冲空。
建立在天然地基上的浅基础常见的病害有：埋置深度浅，易受冲刷而掏空；埋置深度不足，受冻害影响；地基不稳定，易产生滑移或倾斜。
建立在岩石上的基础常见的病害有：基础至于风化石层上，风化部分未处理好，经水流冲刷而掏空或悬空；受地震时的剪切作用，易产生裂缝。
人工地基基础：因处于软弱地基上，在竖向荷载作用下压实沉陷，是基础下沉。
木桩基础：地下水位下降时，桩身常腐蚀。
钢筋砼打入桩基础：打桩时，桩身受损坏；受水冲刷、侵蚀，产生空洞、剥落等；受船只或其他漂浮物的撞击而损坏。
钻孔桩基础：施工时淤泥未完全清除，就灌注砼，而使形成后的基础下沉；施工不当，或受水冲刷、侵蚀而产生空洞、剥落、钢筋锈蚀等；灌注砼过程中发生塌孔而未处理，桩身部分脱空；受外力撞击而产生破坏。
管桩基础：承载力不足而使基础产生下沉。
沉井基础：地基下沉时，基础也产生一些下沉；基础下沉不均匀时，桥台台背高填土受地基土侧向流动的影响时，基础产生滑移、倾斜；中间层为弱黏土层时，由于附近施工挖基坑和填土等而变位；由于冲刷被冲走或地震而使地基液化，使基础变位。
四、病害成因
对于宽浅变迁河段，由于河床坡度比上游平缓，满水时从上游陡峻河床上推移来的大量泥沙多为卵砾石，远远超过了平缓河床上的挟运能力，因此河床上就发生多余泥沙的沉积，使河床逐渐升高，引导水流冲刷河床两岸，使河槽迁徙不定。在这些河段早期修建的桥涵，由于受经济条件的制约和对水流迁徙特性认识不足，往往是岸滩上的基础埋深较浅，基底标高与主河槽基底不一致。由于河槽摆动不定，原有岸滩若干年后可能变为主河槽，致使原有基础外露掏刷悬空。
有些大中桥基础原本是明挖基础及沉井基础，明挖基础由于具有就地取材、节约造价、方便施工的特点。但在有些变迁性河段上，由于水流搬运作用，一些浅河滩可能是过去的旧河道，多由一些卵石、砂砾石沉积而成，其深度少则几米，多则数十米，孔隙较大，且不稳定，因而在这样的地段基坑不可能开挖到稳定的老土持力层上，当河槽变迁时，原有的滩地可能再次变为主河槽，基石被冲刷掏空。
施工过程若施工质量控制不好，浆砌基础砂浆标号低，砂子杂质多、砌石石质差、尺寸小、砌垒不规范、灌浆不饱满，致使基础整体性差，抵抗水的冲刷能力弱。另外基坑开挖时未进行钎探，致使基础坐落在软弱下卧层上；或因设计中地质勘探不细，地基承载力确定不准；基底地质复杂、受力不均等引起基础倾斜、开裂、沉降等病害。
五、桥梁基础的防治措施
对于在卵石沉积层较厚的河床上修建的桥梁基础，受洪水冲刷往往会造成局部悬空，一般可采用基底压注水泥浆的办法进行处理。由于砂质河床松散、流动性大，一旦冲空就急剧扩大，引起大面子坍塌，顷刻即可毁掉整个桥梁基础，对于这类桥可采取在上游设截水墙，下游设梯级跌水墙，桥孔中间满铺浆砌片石的方案进行加固。方案是采取水泥法稳定基础。根据渗水性灌浆理论，浆液的扩散距离与压力成正比。为了创造一个边界，以使用浆量达到所需压力，先在基础周边立模浇筑砼，然后用级配卵石回填至基础墩台顶，在回填的同时埋入10根关闭上钻有多个细孔的压浆管。待周围浇筑的砼达到10 MPa时进行压浆。压浆材料用425普通硅酸盐水泥、粉煤灰、铝粉膨胀剂和水玻璃配制，为了防止浆液随地下水经卵石空隙流走，采取两次压浆法，即先按0.5 MPa～1 MPa压力对外圈孔注浆，待初凝充填周围卵石空隙后，再进行压浆，使压浆压力到1.5 MPa～2 MPa为止。对于桥位斜交角度过大又处于次稳定性河段上的桥梁可通过采取调治、疏通上游河道的办法改变水流方向，解决河流冲刷问题。
当桥基础被洪水冲刷掏空后，应采取永久加固措施，确保桥基永久安全。要根据河床地质、病害程度采取不通的措施。
六、结束语
综上所述，应运用科学的手段和方法合理论证、正确判断桥梁基础病害成因，并采取可行的预防加固措施，充分发挥旧桥功能，节约资金，对保证公路运输安全具有重要的现实意义。对于旧桥基础病害的加固，不可能有一个固定模式，必须根据桥位所处地质、水文条件、桥型结构、施工技术条件等综合考虑，确定出符合实际的加固方案。
