近年来随着我国公路的大规模建设和桥隧比例在路网中的不断提高, 桥梁与道路临近并行的情况越来越多, 难免会造成相互影响, 这种影响不仅体现在工程建设中, 也体现在线路运营中。本文依托于某桥梁加固维修工程, 重点进行了临近道路沉降对桥梁结构的影响分析, 总结了桥梁重点病害的产生原因, 并提出了针对性的处治措施。

　　 某高速公路部分道路 (桩号辅K1+669.23~辅K1+939.22) 与某桥梁第7~9联并行, 并行长度为260m, 道路的路肩距离桥梁的承台为2.6m左右, 承台埋置在路堤坡脚内, 具体位置关系如图1, 2所示。

　　 桥梁上部结构采用简支工字形组合梁, 下部结构桥墩采用双柱式墩, 柱间距为7.0m;基础采用双排灌注桩基础, 承台为工字形, 承台及桩基采用25号混凝土。设计荷载为“汽车-超20级, 挂车-120级”, 抗震设防烈度为8度 (0.2g) 。第9联桥梁立面图、平面图、断面图如图3~5所示。

　　 临近桥梁的道路路面宽12m, 行车道宽2×4.5m, 土路肩2×1.5m。辅K1+669.23~辅K1+939.22地质情况为软弱地基, 采用5cm厚竹排+60cm厚抛填片石+50cm厚碎石垫层+2层防渗土工布。道路等级为二级, 设计速度80km/h。路基断面图如图6所示。

　　 为便于叙述病害所在位置, 将大里程方向设定为正方向, 检测桥跨为左右幅第7~11联, 其中第9联为重点病害联跨。

　　 (1) 桥墩环向开裂

　　 右幅桥34#墩1号柱 (图5, 墩号与其对应的轴号一致) 存在9条半圆形环向裂缝, 裂缝位于左侧面, 缝宽为0.15~3.00mm (图7, 8) ;右幅桥34#墩2号柱 (图5) 存在6条半圆形环向裂缝, 裂缝位于左侧面, 缝宽为0.15~0.24mm。因为34#墩2号柱的病害性质和状态与其1号柱的相似, 故不再给出其裂缝图形。

　　 (2) 承台系梁开裂

　　 本桥承台系梁存在多条U形裂缝, 裂缝详细描述见表1, 表中承台号与其相应的墩号一致, 典型裂缝病害如图9所示。

　　 为得到道路准确的沉降数据, 在道路左侧布置27个线形测点, 其中1号测点布置在道路前端辅桥上, 并作为测量基准点, 计算出各测点相对高程, 从而换算出各测点设计高程, 并绘制出道路高程的实测线形图与设计线形图进行对比, 从而得出道路的沉降值, 结果如图10所示。

　　 由图10可知:第9联平均沉降为106cm, 在33#~34#墩之间出现最大沉降, 为113cm;第8联平均沉降为76.5cm, 在30#~32#墩之间出现最大沉降, 为89cm;第7联平均沉降为83.5cm, 在26#~27#墩之间出现最大沉降, 为92cm。

　　 本桥址区 (包括道路区域) 原为水域, 后经“围海造田”演变为池塘和稻田, 由于工程建设的需要, 本桥址区需要继续回填, 最终演变为现在的地质状况。根据原竣工文件提供的地质勘察资料, 2007年以前桥址区内存在50m以上的深厚软土层, 而且主要以深灰色淤泥、褐黑色泥炭土为主;根据2016年提供的地质勘察资料, 桥址区内存在80m以上的深厚软土层, 主要以黏土为主, 土层中夹杂着泥炭土。桥址区地质情况对比如图11所示, 图中f_a为修正后的地基承载力允许值, k Pa, q_{s i k}为第i层土的总极限侧阻力, k Pa。

　　 通过以上分析可知:本桥址区地层分布主要由黏性土、淤泥质土构成。

　　 由于原路基设计并未对软土区段进行有效的处理, 在车辆荷载和路基填方的作用下, 路基下软土层会产生较大的沉降。采用数值模拟^[1]计算原始土层地质情况下软土可能发生的沉降。

　　 采用有限元软件PLAXIS对场地进行模拟, 选取典型断面, 建立模型进行平面应变分析, 模拟道路运营全过程, 计算填土荷载+车辆荷载作用下路基沉降, 计算结果如图12、图13所示。由图可知, 数值模拟计算的最大沉降量为1.23m, 这与现场实际路面沉降量1.13m较为吻合, 同时沿路基的横向出现不均匀沉降, 沉降量随着路面距离路堤水平距离的增大而减小。

　　 根据桩基与承台的构造可知, 横向桩间距为7.0m, 承台高1.8m, 结合《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62—2004) 可知, 当L/h<5时 (L为梁计算跨径、h为梁高) , 混凝土的应变分布不符合平截面假定。梁的跨高比越小, 这种非线性分布就越明显, 因而通过平截面假定的平面或空间有限元计算已不能准确模拟, 因此, 本次计算采用MIDAS FEA来模拟裂缝开裂状况^[2]。建立的计算模型如图14所示, 计算结果如图15~17所示。

　　 根据图15~17的计算结果可知:承台桩基不均匀沉降2cm, 且承台系梁倒角处出现0.6mm左右宽的裂缝时, 其顶层钢筋应力也达到了钢筋的屈服强度240MPa;随着不均匀沉降的逐渐增加, 裂缝宽度也不断增加, 不均匀沉降达到5cm时, 裂缝宽度达到3.95mm, 这与第2节所述承台的开裂宽度较为吻合。

　　 采用桥梁专业计算软件MIDAS Civil建立模型, 根据地质勘察报告中地基土层参数 (图4中新钻孔) 模拟桩土共同作用, 通过路基沉降形成侧向土压力作用在桩基及承台上, 计算模型如图18所示, 计算结果如图19所示。

　　 根据以上计算结果, 结合《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62—2004) 中的公式, 可计算出桥墩底部截面的裂缝宽度为0.308mm, 这与第2节所述的桥墩裂缝宽度较为吻合。

　　 以上3种有限元模拟 (道路沉降模拟、承台开裂模拟及桥墩开裂模拟) 计算结果均与现场检测结果及病害特征较为吻合, 因此可以判断桥梁承台系梁开裂、桥墩开裂均为临近道路沉降过大所导致。并由此可推断承台和桥墩病害的形成过程, 分别如下:1) 承台病害的形成过程为:软土层有很大的压缩性, 在车辆荷载及路基填方的作用下, 发生较大沉降, 从而带动临近的桥梁桩基下沉, 靠近道路侧沉降大, 远离道路侧沉降小, 存在较大的差异沉降, 这种不均匀沉降直接造成了远离道路侧承台系梁倒角处开裂。2) 桥墩病害的形成过程为:软土的固结沉降产生较大的侧向土压力, 造成了桥梁桩基向远离道路方向移动, 继而带动上部结构一起向远离道路侧滑移, 由于上部结构具有一定程度的横向约束, 造成了桥墩底部的远离道路侧 (左侧) 产生环向开裂。

　　 通过以上分析可以得知, 桥梁结构的重点病害是由于临近道路沉降所导致的, 因此除对桥梁承台及桥墩进行常规的处治维修外, 更应针对道路沉降问题采取处治措施, 以防止其继续沉降, 确保桥梁安全。本工程采用“桩网结构”对路基进行加固处理, 具体思路为:挖除现有道路160m长, 对在此范围的路基进行“桩网结构”加固。其中辅道软土加固桩基采用高压旋喷桩, 桩长30m, 桩径120cm, 路基下布置4排旋喷桩, 按3m间距梅花形布置;在桩顶设置35cm厚的C25普通钢筋混凝土框架梁, 其间空余位置回填35cm厚级配碎石, 然后再恢复垫层上路面结构 (级配碎石底基层+水稳层+沥青面层) , 路面标高按现状进行适当微调并保持平顺。高压旋喷桩及钢筋混凝土框架梁布置如图20、图21所示。

　　 为了预测采取加固措施后的效果, 使用有限元软件PLAXIS分别对加固前和加固后场地进行模拟, 选取典型断面, 建立模型进行平面应变分析, 模拟道路运营全过程, 计算加固前后场地的竖向位移和水平位移结果见图22~27。

　　 通过以上对比分析可知:桩基处软土最大竖向位移由加固前的0.25m减小至加固后的0.093m, 桩基处软土最大水平位移由加固前的0.15m减小至加固后的0.036m。可见, 此种加固措施有效控制了路基本身的沉降, 减小了侧向土压力, 有效减缓并控制了桩顶水平位移, 保证了桥梁桩基的安全及稳定。同时, 路面得以保持较好的线形, 也保证了道路行车舒适性。

　　 本文依托具体工程实例, 对临近道路的桥梁结构的重点病害 (桥墩开裂、承台系梁开裂) 进行了数值模拟分析, 通过与现场病害特征进行对比, 证明了桥梁重点病害均为临近道路沉降过大所导致, 并以此为导向说明临近既有桥梁结构进行道路施工时, 一定要对软弱地基进行处理。同时本文也介绍了一种针对此类问题的路基加固处理方法———高压旋喷桩+钢筋混凝土框架梁的“桩网结构”加固法, 并通过数值模拟对此加固法的加固效果进行了分析, 说明了此种处治方法的可行性。