張宏杰

（中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，大量基礎(chǔ)交通設(shè)施開始建設(shè)，公路作為帶動經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大基建項目已得到優(yōu)先發(fā)展。與一般地質(zhì)條件相比，黃土地區(qū)公路橋段的建設(shè)難度較大。如果不能預(yù)先了解公路橋梁可能出現(xiàn)的病害及機(jī)理，可能導(dǎo)致設(shè)計返工、工期推遲、經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失等，嚴(yán)重的甚至?xí)斐芍卮蟀踩鹿蔥1]。目前國內(nèi)外學(xué)者也針對黃土地區(qū)公路橋梁隧道的病害展開了一些研究，如楊凱[2]依托甘肅隴東黃土地區(qū)公路橋梁，對其病害形式進(jìn)行了調(diào)查，并利用理論計算與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，分析了黃土地基侵蝕對剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)穩(wěn)定性及上部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的不利影響，并提出了相應(yīng)地養(yǎng)護(hù)技術(shù)。祝和權(quán)等[3]結(jié)合歷年工程經(jīng)驗及參考文獻(xiàn)，對公路橋梁發(fā)生病害出現(xiàn)的原因進(jìn)行了綜述，并認(rèn)為橋梁病害的出現(xiàn)不僅受結(jié)構(gòu)損傷的影響，還與混凝土材料的性能劣化和鋼筋銹蝕密切相關(guān)，并提出了從材料性能劣化入手，對橋梁病害進(jìn)行病害評估的新理念。因此，為了提高我國黃土地區(qū)的公路橋梁整體建設(shè)水平，研究其主要病害形式及機(jī)理具有十分重要的工程意義。

1 濕陷性黃土特點及依托工程病害調(diào)查

1.1 濕陷性黃土特點

由于黃土是一種形成于干旱氣候條件下的呈淡黃色或黃褐色的風(fēng)成沉積物，常為非飽和狀態(tài)，具有大孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育、濕陷性、水敏感性、沉積層理不明顯等典型的工程特征[4]。再加上黃土獨特的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其所處的地貌和構(gòu)造環(huán)境，如果在切割強(qiáng)烈、地形起伏較大的黃土溝壑和塬、梁區(qū)修建高速公路橋梁，會受到一系列技術(shù)要求和條件限制，為了提高其建設(shè)水平，必須對濕陷性可能造成的橋梁病害類型及機(jī)理展開深入地分析。

1.2 項目簡介

文章依托項目為某黃土地區(qū)高速公路沿線各大橋，橋位區(qū)屬侵蝕低中山地貌，地形凹凸不平，沖溝發(fā)育，橋位區(qū)范圍內(nèi)中線地面高程980～1030m，最大相對高差48m，交通條件較差。橋梁交角90°，橋型布置為預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，橋梁各分跨線均徑向布置。該場地范圍內(nèi)的黃土在降雨、地下水、氣候變化等因素的影響下，發(fā)生了一定的濕陷性變形，導(dǎo)致橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生沉降，而基礎(chǔ)沉降又對橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)產(chǎn)生一定程度的影響，從而使得橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了嚴(yán)重病害。

1.3 公路橋梁病害調(diào)查

橋梁病害的概念主要指橋梁結(jié)構(gòu)在建設(shè)及運營期間，在各種外界不利因素或內(nèi)在因素的干擾下，出現(xiàn)危及橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性的所有變異現(xiàn)象。文章針對該大橋展開了病害調(diào)查，調(diào)查的橋梁部位主要有梁體、錐坡、平臺、河床、橋墩橋臺、橋頭等，存在的病害主要有梁體位移、橋臺裂縫沉降、橋面下沉、下部脫空、橋頭跳車等，各種病害的數(shù)量及發(fā)生位置如表1所示。

表1 公路橋梁病害調(diào)查結(jié)果匯總

2 黃土地區(qū)橋梁病害形式及成因分析

由于公路橋梁結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜、荷載作用的不確定性，施工材料性能的不連續(xù)性等原因，橋梁病害的種類劃分方法十分復(fù)雜。文章結(jié)合相關(guān)參考文獻(xiàn)的統(tǒng)計資料，并根據(jù)黃土地區(qū)橋梁病害發(fā)生位置及原因的不同，將橋梁病害劃分為上部結(jié)構(gòu)病害、下部結(jié)構(gòu)病害、橋面系病害、橋頭跳車四大類，具體劃分方法如圖1所示。

圖1 黃土地區(qū)公路橋梁病害形式劃分

2.1 上部結(jié)構(gòu)病害

黃土地區(qū)公路橋梁的上部結(jié)構(gòu)病害的出現(xiàn)主要是因為橋梁基礎(chǔ)由于黃土濕陷而發(fā)生沉降，使墩臺出現(xiàn)位移，一般表現(xiàn)為墩臺沉降、傾斜、梁體位移、梁體裂縫等形式。同時，墩臺的橫向傾斜可能引起梁體撞擊擋塊，使得擋板發(fā)生破裂。墩臺的縱向傾斜會使梁體應(yīng)力分布和線形出現(xiàn)變異，從而導(dǎo)致主梁下?lián)?、裂縫等病害。

2.2 下部結(jié)構(gòu)病害

（1）剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)。如果公路橋梁所采用的基礎(chǔ)為剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)，其下部結(jié)構(gòu)病害主要有基礎(chǔ)沉降、基礎(chǔ)滑移、基礎(chǔ)沖刷等。各種病害的特點及機(jī)理如下：①基礎(chǔ)沉降。在強(qiáng)降雨作用下，雨水未能沿著橋面排水設(shè)施及時排出，會使未經(jīng)處理或處理不完全的黃土地基因其濕陷而產(chǎn)生一定程度的沉降，且黃土地基的強(qiáng)度參數(shù)因含水量增加而降低會加劇地基沉降。同時，隨著黃土地基沉降的增加，橋梁剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)也發(fā)生沉降。如果剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)的底部土體性質(zhì)差異性較大（壓縮系數(shù)不一致），將會導(dǎo)致基地出現(xiàn)不均勻沉降。②基礎(chǔ)滑移。濕陷性黃土地區(qū)公路橋梁橋臺的墻前填土?xí)蛄魉疀_刷而出現(xiàn)流失現(xiàn)象，從而使得橋臺的抗滑移能力不斷減小，在臺后填土主動土壓力的作用下，抗滑移安全系數(shù)不滿足要求而出現(xiàn)基礎(chǔ)滑移病害。③基礎(chǔ)沖刷。在降雨、地下水、河流等因素作用下，基礎(chǔ)周圍土體往往會遭受水流沖蝕，從而導(dǎo)致剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)的基底慢慢被侵蝕掏空，使得黃土地基承載力降低并引發(fā)去其他病害。

（2）樁基礎(chǔ)。如果公路橋梁所采用的基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，則主要有樁基外露、樁基撓曲、鋼筋銹蝕、樁基不均勻沉降等下部結(jié)構(gòu)病害。各病害出現(xiàn)的原因主要在于：①樁基外露。布置在沖溝和河道中的樁基礎(chǔ)在雨水沖蝕下會使樁基礎(chǔ)周圍土體流失，或樁基礎(chǔ)防護(hù)措施較差，都會導(dǎo)致樁基外露病害。②樁基撓曲。如果黃土發(fā)生濕陷性變形，則土層可能出現(xiàn)塑性流動，土體流動產(chǎn)生的水平側(cè)向力作用作用在樁基上會使其出現(xiàn)撓曲變形。當(dāng)水平側(cè)向力超出水平承載力極限，甚至可能引起樁基礎(chǔ)剪切破壞（斷樁）。③樁基不均勻沉降。黃土濕陷固結(jié)期間會在樁基礎(chǔ)周圍產(chǎn)生負(fù)摩阻力，負(fù)摩阻力不僅不能抵抗樁基沉降，還會使施加在樁基礎(chǔ)上的外荷載加劇導(dǎo)致其沉降變形。這樣會使同一承臺下各個樁基變形不相同，從而導(dǎo)致樁基的不均勻沉降，甚至承臺斷裂。

2.3 橋面系病害

黃土地區(qū)公路橋梁的橋面系病害主要包括橋面下沉、橋面上撓和橋面鋪裝裂縫等，一般橋面下沉出現(xiàn)在簡支梁橋，而橋面上撓容易出現(xiàn)在大跨度橋梁。此外，橋面鋪裝裂縫的出現(xiàn)往往是因為基礎(chǔ)沉降引起梁體單側(cè)或雙側(cè)橋臺出現(xiàn)沉降，從而使與梁連接處的橋面出現(xiàn)橫向裂縫。

2.4 橋頭跳車

黃土地區(qū)公路橋梁如果出現(xiàn)橋頭跳車病害，不僅會導(dǎo)致行車的舒適感降低，還會使得車輛大幅度減速，嚴(yán)重時可能出現(xiàn)安全事故。橋頭跳車出現(xiàn)的根本原因是橋面和路基之間存在不均勻沉降，影響因素主要體現(xiàn)在局部沉降、臺背填料等。

（1）局部沉降。公路橋梁結(jié)構(gòu)一般為剛性構(gòu)件，壓縮模量較大，變形量小。而黃土地基屬于柔性材料，壓縮模量較小，變形量大。因此，在反復(fù)車輛荷載作用下，黃土地基被壓縮，橋頭搭板容易出現(xiàn)變形甚至斷裂（受力體系改變），橋梁結(jié)構(gòu)和路基之間出現(xiàn)不均勻沉降。與此同時，在黃土地基降雨、地下水等因素的影響下，發(fā)生濕陷性固結(jié)變形，增大橋梁結(jié)構(gòu)和路基之間的不均勻沉降，加劇了橋頭跳車病害。

（2）臺背填料問題。黃土地區(qū)公路橋梁在進(jìn)行臺背回填時，一般選擇滲透性較大的碎石、砂礫等材料。但是因為這類臺背回填材料的孔隙比大，在外界各種不利荷載的影響下，填料的孔隙率會不斷降低，提高了臺背填料的密實度，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)和路基之間出現(xiàn)不均勻沉降。為了解決這一問題，可以采用質(zhì)量較輕、性能好的氣泡混合輕質(zhì)土來進(jìn)行橋梁的臺背回填，如圖2所示[5]。

圖2 橋頭路基換填混合輕質(zhì)土（cm）

3 結(jié)束語

文章針對某土地區(qū)高速公路沿線橋梁進(jìn)行了病害統(tǒng)計，并開展了病害分類、病害形式及機(jī)理研究等作業(yè)，主要得到以下結(jié)論。

（1）黃土地區(qū)橋梁病害發(fā)生位置及原因的不同，可以將橋梁病害劃分為上部結(jié)構(gòu)病害、下部結(jié)構(gòu)病害、橋面系病害、橋頭跳車四大類。

（2）公路橋梁的上部結(jié)構(gòu)病害一般表現(xiàn)為墩臺沉降、傾斜、梁體位移、梁體裂縫等形式。

（3）如果公路橋梁基礎(chǔ)為剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)，其下部結(jié)構(gòu)病害主要有基礎(chǔ)沉降、基礎(chǔ)滑移、基礎(chǔ)沖刷等形式。如果采用的基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，則主要有樁基外露、樁基撓曲、鋼筋銹蝕、樁基不均勻沉降等下部結(jié)構(gòu)病害。

（4）橋頭跳車出現(xiàn)的根本原因是橋面和路基之間存在不均勻沉降，影響因素主要體現(xiàn)在局部沉降、臺背填料等，可以通過設(shè)置橋頭搭板或選用質(zhì)量較輕、性能好的氣泡混合輕質(zhì)土來進(jìn)行橋梁的臺背回填。