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淺論橋梁下部結構的缺陷及加固
發布時間：2014-07-15
1.前言隨著我國社會經濟和交通運輸事業的快速發展，過去年代修建于各地城鎮和各級公路上的橋梁，負擔著十分沉重的交通荷載及繁重的交通量。當時社會發展較緩，缺乏前瞻和預見，橋梁投入運營使用之后，運營管理的長期滯后，管養制度建設和隊伍建設長期被忽視，管養費用被擠占、挪用，運營車輛長期普遍超載和嚴重超載未得遏制，橋梁的技術狀態未得到及時、細致的觀測掌握。在寒冬酷暑、暴雨烈日、洪水沖刷、車船撞擊的多年影響下，使得為數眾多的農用、公路及城市橋梁，發生了各種大大小小的病害，如橋面破損、欄桿斷裂、伸縮縫損壞、橋頭跳車、梁板或拱體裂縫、砼剝落、鋼筋鋼索銹蝕、鋼結構裂紋銹爛、墩臺斷裂位移、擋墻傾斜錯位、錐坡下挫坍塌、墩臺基底沖空、橋頭路基沖塌、河床護底沖翻以及河道被沖刷嚴重變遷而危及橋頭路基等，已經破壞了橋梁的正常良好狀態。這種不良狀態，除將大大縮短橋梁的使用壽命之外，有的已經威脅著過往人車的安全而成為危橋，成了政府、管理部門和人民群眾關注、耽心的大事。
這些橋梁具有荷載等級低、使用年限長的特點。從技術資料分析，大多數橋梁是三不知：1不知基底地質；2不知基礎深度；3不知隱蔽部分的尺寸。從橋梁技術狀況分析，由于河床屢遭洪水沖刷，河床底部加深，橋梁墩臺基礎外露、沖空，產生不均勻沉降，導致橋臺、拱圈產生附加應力而出現開裂，有的甚至出現開合現象；有的橋梁由于橋臺較高，受行車及臺后土壓力的作用，橋臺出現開裂、凸肚等病害；橋面混凝土鋪裝層由于使用時間長加之重車作用，導致開裂、剝落等病害。按橋梁技術狀況來評定大多屬三類橋梁。
隨著國民經濟的發展和重點工程的建設，目前公路橋梁所承受的負荷有3個特點：1交通量不斷增大；2重型車輛增加及超載現象嚴重；3超限運輸的出現和增加。按現在橋梁和運輸狀況，橋梁的承載能力和通過的車輛荷載是公路與運輸的矛盾之一。
舊橋加固，提高舊橋的承載能力，確保交通運輸的安全是目前和今后面臨的任務。
2.橋梁下部結構的主要問題
橋梁下部結構由橋墩、橋臺及其下部的基礎構成。墩臺和基礎是橋梁的重要組成部分，是直接承受橋梁上部結構的荷載，同時將荷載傳遞給地基的受力結構。所以，橋梁下部結構是橋梁的支承部分，又稱支承結構。
橋臺使橋梁與路堤相連接，因此，它除了承受上部構造的荷載外，還承受來自臺后路堤添土的土壓力。而橋墩所受的外壓力則比橋臺還要大些，除了承受上部構造荷載外，還要承受風力、流水壓力、冰壓力、浮力，以及在特殊情況下可能發生的船只或漂浮物的撞擊力等的作用。
橋梁墩臺基礎在長年使用過程中，還將受到自然界各種因素的影響作用，如大氣、雨水的侵襲，洪水的沖刷。在地震區，還不可避免地受到地震力的作用。此外，由于過橋車輛的日益重型化，實際上部分活載標準已超過設計規范的負荷要求，墩臺的負擔在不斷地增加，經常受到過重活載的作用。
這樣，橋梁墩臺和基礎在建造過程中或建成經多年使用后，將會出現不同程度的損壞，產生各種缺陷。
2.1墩臺結構的缺陷
墩臺結構均位于上部結構和基礎之間，是橋梁下部結構的主體，多采用圬工或鋼筋混凝土結構。墩臺結構由于具有將上部結構的荷載傳遞給基礎的功能，因此，墩臺容易受到上部結構荷載增加和基礎出現缺陷的直接影響，尤其是，當基礎產生不均勻沉降、滑移、傾斜等現象時，將會使墩臺受到影響而產生很大的損壞。
墩臺損壞的主要形式是出現裂縫。常見的裂縫有水平裂縫、豎向裂縫及網狀裂縫等。
磚石砌體或鋼筋混凝土墩臺除常年受干燥、潮濕、寒暑、凍結冰害等氣候條件的影響外，還受到水、海水、酸、堿、火、熱等作用，從而產生裂縫、剝落、銹蝕等病害。此外，材料隨使用時間的增長還會老化。
在船只及漂浮物的撞擊等突然外力作用下，墩臺會產生局部破壞，混凝土墩臺會產生脫落與剝離。
概括之，橋梁墩臺結構的缺陷主要有：裂縫、剝落、空洞、鋼筋外露、銹蝕、老化、結構的變形移位等。
2.2橋梁基礎的缺陷
橋梁基礎一般采用天然地基上的淺基礎和樁基礎、沉井基礎以及混合基礎等深基礎。由于每類基礎所處的條件不盡相同，因此，根據基礎結構形式及修建基礎地形的差異，所產生的缺陷也不完全相同。但從總的方面來說，它有一定的規律性。橋梁基礎一般容易發生的主要缺陷有：
2.2.1基礎的沉降和不均勻沉降
由于地基的壓密下沉而引起的基礎沉降，這對于任何一座橋梁都將是難以避免的，在一定范圍內這是正常現象，而超出一定的范圍則將對橋梁產生有害的影響，在軟土地基上修建的橋梁基礎，由于經常受到土基壓實下沉和地下水位升降等的影響，往往還會產生不均勻的沉降。
2.2.2基礎的滑移和傾斜
基礎由于經常受到洪水的沖刷而產生滑移，沖刷深度由河流的河床縱坡與河床堆積物成分等因素所決定。一般很難預先估計沖刷有多深,事先必須經過充分的調查，以探求其沖刷深度。另外，由于河床疏浚開挖，減少了橋臺臺前臨河面地基土層的側向壓力，也會使基礎產生側向滑移。
當橋臺基礎建造于軟土地基上，而臺背填土超過一定高度且基礎構造處理不當時，作用于臺背的水平力增大，將導致地基失穩，產生塑性流動，使橋臺產生前移。當基礎上下受力不均時，臺身也隨之產生不均勻的滑移，導致基礎出現傾斜。
產生滑移或傾斜的橋臺基礎，多為建造在軟土地基上的重力式橋臺、倒T式橋臺。沉井基礎也有產生前移的，這是由于沉井基礎施工時擾動了地基且承受井背土壓力的寬度大，可又不能相樁基礎那樣，有使流動土壓力從樁間擠過去的效果，所以作用于沉井基礎的流動壓力比樁基礎的大，會引起其位移的幾率也大。
基礎產生的滑移或傾斜，在嚴重時會導致橋梁結構的破壞，起破壞形式有：
1、支座和墩臺支承面破壞以及梁從支承面上滑落下來。
2、伸縮縫裝置被破壞或使接縫寬度減少、伸縮功能減弱。
3、滑移量過大時，梁端與胸墻緊貼，嚴重時導致胸墻破壞或梁局部壓屈。
2.2.3基礎結構物的異常應力和開裂
由于受力不均，往往會產生局部異常應力，并導致橫向或縱向裂縫。在特殊外荷載的作用下，還會使基礎結構物因出現異常應力而產生局部破壞。
3.梁墩臺基礎的加固和改造
橋梁墩臺基礎在使用過程中，由于過橋車輛荷載的加重以及自然作用的影響，會使基礎產生沉陷、墩臺出現傾斜和過大的裂縫。為此，往往應根據墩臺基礎不同的損壞程度，不同的結構情況進行維修加固，以確保行車安全，延長橋梁使用壽命。同時可避免拆除重建，從而減少投資，充分發揮現有橋梁的經濟效益和社會效益。
橋梁墩臺基礎加固的常用方法有：鋼筋混凝土墩臺結構套箍或護套加固法、橋臺滑移傾斜處理、人工地基加固法、擴大基礎加固法、增補樁基法、高壓噴射注漿法、灌漿法等。以及實際加固工程中常遇到的拱橋墩臺基礎加固法和橋梁墩臺基礎改造等。
3.1鋼筋混凝土墩臺結構套箍或護套加固法
在橋梁墩臺出現貫通裂縫，防止裂縫的繼續發展，使之能正常使用，可用鋼筋混凝土圍帶或鋼筋進行加固。加固時，一般在墩身上、中、下分段三道圍帶：其間距應大致相當于橋墩側面的寬度。每個圍帶的寬度，則根據裂縫情況和大小而定，常為墩臺高度的1/10左右，厚度采用10~20cm。為加強圍帶與墩臺的連接，應在墩內埋置直徑10~25cm的鋼銷，埋入深度為鋼銷直徑的20倍左右。把圍帶的鋼筋網扣在鋼銷上，埋鋼銷的孔眼要比銷徑大出15~20mm，先填滿銷孔再澆注混凝土，同時填塞裂縫。
當墩臺損壞嚴重，如有嚴重裂縫及大面積表面破損、風化和剝落時，則可采用圍繞整個墩臺設置鋼筋混凝土護套的方法進行加固。
3.2橋臺滑移傾斜的處理
當橋臺出現滑移傾斜時，可采用以下三種方法進行加固：支撐法、新建輔助擋土墻法、減輕荷載法。
1.支撐法加固
當墩臺因尺寸不足，難以承受臺石的土壓力而往橋孔方向產生傾斜或滑移的埋置式橋臺，可采用修筑撐壁法進行加固。
對于單孔小跨徑橋臺，為防止橋臺滑移，可在兩臺之間加建水平支撐，如整跨漿砌片石撐板，或用鋼筋混凝土支撐梁進行加固。
2.新建輔助擋土墻加固
對于因橋臺臺背水平土壓力太大而引起的橋臺傾斜，應設法減少橋臺后壁的土壓力，可在臺背加建一擋土墻，以增強擋土墻能力。
3.減輕荷載法
筑于軟土地基上的橋臺，常由于填土較高，而受到較大側向土壓力的作用，從而使橋臺產生前移，以致發生傾斜。為此，一般可更換臺背填土，減少土壓力，既采用減輕橋臺基礎所受荷載的方法進行加固。
3.3人工地基加固法
當基礎下面的地基松軟，不能承受很大荷載，或上層土雖好，但深層土質不良引起基礎沉陷時，可采用人工地基加固法以改善提高基礎的承載能力。
人工地基加固方法很多，一般常用的有砂樁法、樹根樁法、高壓噴射注漿法和灌漿法等。
1.砂樁法
當軟弱基層較厚時，可用砂樁法改善地基的承載能力。加固施工時，將鋼管或木樁打入基礎周圍的軟弱土層中，然后將樁拔出，灌入經過干燥的粗砂，進行搗實，做成砂樁。達到提高不的密實度的目的。
在含水飽和的砂土或粉土中，由于容易坍孔，灌砂困難，亦可采用砂袋套管法與振沖法加固地基。
2.樹根樁法
樹根樁是一種小直徑鉆孔灌注樁，其直徑通常為100~250mm，有時也采用300mm。先利用鉆機鉆孔，滿足設計要求后，放入鋼筋或鋼筋籠，同時放入注漿管，用壓力注入水泥漿或水泥砂漿而成樁，也可放入鋼筋籠后再灌入碎石，然后注入水泥漿或水泥砂漿而成樁。小直徑鉆孔灌注樁也有稱微型樁。小直徑鉆孔灌注樁可以豎向、斜向設置、網狀布置如樹根狀，故稱樹根樁。
樹根樁技術是20世紀30年代初由意大利的Fondedile公司的F.Lizzi首創，隨后在各國得到應用。
3.高壓噴射注漿法
高壓噴射注漿法是將帶有特殊噴嘴的注漿管置于土層預定深度，以高壓噴射流使固化漿液與土體混合、凝固硬化加固地基的方法。
4.灌漿法
灌漿法是墩臺基礎之下，在墩臺中心直向或斜向鉆空或打入管樁，通過孔眼及關孔，用一定壓力把各種漿液注入土層中，通過漿液凝固，把原有松散的土固結為有一定強度和防滲透性能的整體或把巖石裂縫堵塞起來，從而加固地基、提高地基承載力的一種加固法。灌漿法加固橋梁墩臺基礎，所采用的方法和灌漿材料一般因地質情況的不同而異。
3.4擴大基礎加固法
擴大橋梁基礎底面積的方法，稱為擴大基礎加固法。此法適用于基礎承載力不足或埋置太淺，而墩臺又是圬工或混凝土剛性實體式基礎時的情況。擴大基礎底面積應由地基強度驗算確定。當地基強度滿足要求而缺陷僅僅表現為不均勻沉降變形過大時，采用擴大基礎底面積的加固，主要由地基變形計算來加以選定。
擴大基礎加固法可按下列順序進行：
（1）常在必須加寬的范圍內先打板樁圍堰，如墩臺基底地基土不好時，應做必要的加固。
（2）挖去堰內土體，只挖至必要的深度。
（3）在堰內把水抽干后，鋪砌石塊（漿沏）或做混凝土基礎。
（4）新舊基礎要注意牢固結合，施工時，可加設聯系鋼筋或插以鋼銷，以使加固擴大基礎和舊基礎牢固的結合成一整體。
3.5增補樁基法
在樁式基礎的周圍補加鉆孔樁或打入鋼筋混凝土預制樁并擴大原承臺，以此提高基礎承載力、增加基礎穩定性.。這種加固法稱為增補樁基加固法。
增加樁基法加固墩臺基礎的優點是不需要抽水壩等水下施工作業,且加固效果顯著。其缺點四需搭設打樁架和開鑿橋面，對橋頭原有架空線路及陸上，水上交通均有影響。
對單排架樁式橋墩采用打樁加固時，如原有樁距較大（在4~5倍樁徑時），可在樁間插樁。如原有樁距較小且通航凈跨允許縮小時，可在原排架兩側增加樁數，成為三排式的墩樁。
如在樁間加樁，可鑿除原有蓋梁并澆筑新蓋梁，將新舊樁頂連接起來。但此時必須檢查原有蓋梁在加樁頂部能否承受與原來方向相反的彎矩，如不能承受則必須加固原有蓋梁或重新澆筑蓋梁。加固原有蓋梁是，可在蓋梁頂部增設鋼筋。
當橋臺垂直承載里不足時，一般可在臺前增設一排樁并澆筑蓋梁，以分擔上部結構傳來的壓力。打樁時，可利用原有橋面作腳手架，在橋臺上開洞插樁。增澆的蓋梁可單獨受力，也可連接在一起，使舊蓋梁，舊樁及新樁一起受力。
例如，某橋因疏浚河道導致橋臺樁基太淺，危及行車安全。因此，采取在臺前加三根鉆孔樁的加固措施。在新加樁上重新澆筑新蓋梁，使新加蓋梁與舊橋臺蓋梁同時受力，從而提高了該橋的承載能力和穩定性。該橋施工時，維持半邊交通，在橋面上開鑿三個洞，直徑1米，橋面上設鉆孔樁施工腳手，施工完畢后將橋面修復，省工省料。新臺蓋梁施工時比愿臺蓋梁略低一些，這樣不必將橋梁上部結構頂升抬起。施工完畢時新臺蓋梁并未受力，當舊橋臺有沉陷時，新樁舊樁就可共同受力。該橋采用此法加固后，運營正常并沒有出現任何病變，說明加固效果很好。
3.6高壓噴射注漿法
高壓注漿法20世紀60年代創始于日本，是利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管伸至土層的預定位置后，以高壓設備使漿液或水以200MPa左右的高壓流從噴嘴中射出來，沖擊破壞土體，同時鉆桿以一定速度漸漸向上提升，將漿液與土粒強制攪拌混合，漿液凝固后，在土中形成一個固結體。固結體的形態與噴射流的移動方向有關。一般分為旋轉噴射，定向噴射和擺動噴射三種。
施噴法施工時，噴嘴-面噴射-面旋轉并提升，固結體形呈圓柱狀。主要用于加固地基，提高地基的強度，改善土的變形性質；也可組成閉合的帷幕，用于截阻地下水流和治理流沙。旋噴法施工后，在地基中形成圓柱體，稱為旋噴樁。
定噴法施工時，噴嘴-面噴射-面提升，噴射的方向固定不變，固結體形如板狀或壁狀。
擺噴法施工時，噴嘴-面噴射-面提升，噴射的方向呈較小角度來回擺動，固結體形如較厚墻體。
而在橋梁基礎加固工程中，應用較多的是高壓旋噴法。
1. 高壓噴射注漿法的工藝類型
高壓噴射注漿法的工藝類型主要有如下四種：（1）單管法；（2）二重管法；（3）三
重管法；（4）多重管法。
2. 高壓噴射注漿法的特點
高壓噴射注漿的特點如下：（1）適用范圍交廣；（2）施工簡便；（3）可控制固結體
形狀；（4）可垂直、傾斜和水平噴射；（5）耐久性較好；（6）料源廣闊；（7）設備簡單。
3. 高壓噴射注漿法的適用范圍
高壓噴射注漿法的適用范圍如下：（1）土質條件適用范圍：主要適用于處理淤泥、
淤泥質土、粘性土、粉土、黃土、砂質填土和碎石土等地基；（2）工程適用范圍：高壓噴射注漿法的適用范圍很廣，宜作為地基加固和基礎防滲之用，而在橋梁工程中主要用于橋梁墩臺基礎的加固以及作為防滲帷幕、提高地基承載力。
（一）加固機理
高壓噴射注漿的加固機理主要有如下三方面。
1 高壓噴射流對土體的破壞作用
破壞土體結構強度的最主要因素是噴射動壓。噴射流在終期區域能量衰減很大，不能直接沖擊土體使土粒剝落，但能對有效射程的邊界土產生擠壓力，對四周土有壓密作用，并使部分漿液進入土粒之間的孔隙里，使固結體與四周土緊密相依，不產生脫離現象。
2 水，氣同軸噴射流對土的破壞作用
單射流雖然具有巨大的能量，但由于壓力在土中急劇衰減，因此破壞土的有效射程較短致使旋噴固結體的直徑較小。
當在噴嘴出口的高壓水噴射流的周圍加上圓筒狀空氣射流，進行水，氣同軸噴射時，空氣流使水或漿的高壓噴射流從破壞的土體上將土粒迅速吹散，使高壓噴射流的噴射破壞條件得到改善，阻力大大減小，能量消耗降低，因而增大了高壓噴射流的破壞能力，形成的旋噴固結的直徑較大。高速空氣具有防止高速射流動壓急劇衰減的作用。
3 水泥與水的固結機理
水泥與水攪拌后，首先產生鋁酸三鈣水化物和氫氧化鈣，它們可溶于水，但溶解度不高，很快就達到飽和，這種化學反應連續不斷地進行，就析出一種膠質物體。這種膠質物體有一部分混在水中懸浮，后來就包圍在水泥微粒的表面，形成一層膠凝薄膜。所生成的硅酸二鈣水化物幾乎不溶于水，只能以無定形的膠質包圍在水泥微粒的表層，另一部分滲入水中。而由水泥各種成分所生成的膠凝膜，逐漸發展起來成為膠凝體，此時表現為水泥的初凝狀態，開始有膠粘的性質。此后，水泥各成分在不缺水，不干涸的情況下，繼續不斷按上述水化程序發展，增強和擴大，從而產生下列現象：（1）膠凝體增大并吸收水分，使凝固加速，結合更密；（2）由于微晶的產生進而生出結晶體，結晶體與膠凝體相互包圍滲透并達到一種穩定狀態，這就是硬化的開始；（3）水化作用繼續深入到水泥微粒內部，是未水化部分再參加以上的化學反應，直到完全沒有水分以及膠質凝固和結晶充盈為止。但無論水化時間持續多久，很難將水泥微粒內核全部水化，所以水化過程是一個長久過程。加固后的土體固結強度高，質量略大，滲透系數小
（二）施噴法加固墩臺基礎的設計
用噴射法加固橋梁墩臺基礎，一般是因為墩臺基礎在設計時或施工中存在某些缺陷，對地基的承載能力估計不足，已發生橋梁正常使用時不允許的下沉。或者說因為使用條件改變如荷載等級提高，使其地基承載能力不能適應。加固的方法一般都是在墩臺基礎的襟邊或底版下鉆孔，施噴成圓樁體，并和原地基連成整體，增加地基的承載力，達到加固的目的。
用施噴法對舊橋墩臺進行加固時，與前述其他加固方法情況相同，原有橋梁的全部重力都是已壓在原有地基上的。地基是在承受著構筑物已有的全部重力的情況下進行加固施工的。因此，若被加固的橋梁構筑物沒有受到新的荷載作用，施噴固結體最初是幾乎不受力的。只是由于時間的推移，原有地層在恒壓力的作用下，土體產生徐變或滑移，使原土體承受的一部分壓力轉移到剛性較大的旋噴固結體上，但這種轉移是不大的。因此，只有構筑物新增加荷載時，才為旋噴固結體所承受。
總的來說，用旋噴法加固后的地基，具有下列特點：固結體和原土層共同受力；固結體的變形模量較土層大很多倍；固結體和土體的受力在時間上不同步。一般是土體已達到或接近其極限強度以后，固結體才進入工作狀態。
由于這些特點的存在，舊橋墩臺基礎用旋噴法加固設計計算可參照下述進行。
1對加固前墩臺基礎承載能力進行計算
墩臺基礎的加固，大體上可分為兩種情況：一種是橋結構正在建造或運用過程中。基礎發生較大的均勻或不均勻下沉，已危及橋梁結構的正常使用；另一種是目前使用狀況良好，但考慮到橋梁要通過更大載重的車輛，地基承載力不能滿足進一步發展的需求。兩種情況對原有地基的極限承載力的估算方法是有所不同的。
1）對目前已不能滿足使用要求的橋梁構筑物地基承載力的估算方法
對已發生病害的墩臺基礎，在加固前除收集有關工程設計所需的各項資料外，還應對工程的病害歷史和現狀進行調查分析。根據病害發生，發展的程度，推算出現有地基的承載能力。
如現有地基承受的荷重為W1，基礎底面積為A，則基礎底面積現有應力σ為：
σ =W1/A
由于基礎已發生下沉并危及正常使用，因此地基的現有應力必然已經超過地基的極限承載能力，則地基實有的極限承載力（σ0）肯定較σ值小：
σ0 =α*σ
式中：α——稱為現有地基支承系數（α<1.0），視病害程度，α取0.8~0.95之間。
對下沉較小或目前已基本穩定的地基，加固后原土層的承載力，建議取σ0=0.95（W/A）；對下沉速度很快或下沉正在迅速發展的地基，其原有土層的承載力可取σ0=0.8（W/A）；一般情況下，則介于兩者之間。
2) 對于目前沒有病害僅為提高荷載等級需加固的地基承載力確定方法
對于目前沒有病害，僅為提高橋梁荷載等級而需加固的橋梁墩臺基礎，其地基承載能力的確定有如下兩種方法：一是按地質鉆孔或土工試驗所給出的土體板限強度σ0；二是依據規范提出的“經過多次壓實，未受破壞的舊橋基”其允許承載力可給予提到的方法確定。
2 旋噴法加固危及正常使用的橋梁墩臺基礎的設計計算
采用旋噴法加固危及正常使用的橋梁墩臺基礎時，其設計計算可按下列步驟進行：
（1）用地質鉆探的方法確定基巖或硬層的埋藏深度，決定旋噴固結體的性質。若基巖較淺，則可設計為支承樁；若基巖較深，則可設計為摩擦樁。
（2）在現場選取各層土樣，按加固需要和現場可能達到的水泥，土，水三者之比進行配方試驗，決定固結體材料強度σ樁。
（3）計算加固所必需的固結總面積A樁：
A樁=W1-σ0A/（σ樁/K1）-σ0
式中：K1——樁柱的安全系數，一般按樁基采用K1=2.0。
也可使用正常的地基加固驗算方法：
A樁=K2W1-σ0A/σ樁-σ0
式中：K2——地基承載安全系數，由于橋梁墩臺是以恒載為主的建筑物，而且σ0又比較確切，因此K2可以比有關規范值略小，建議K2=1.5~1.3。
（4）旋噴注漿加固總面積A樁求得以后，可以試驗或經驗公式法確定旋噴固結
體的有效直徑（D）。
如采用單管法，對0〈N≤5cm的粘性土：
D=1.3（1/2- N2/200）
對5〈N〈15砂性土：
D=1/700（350+10N-N2）
式中：D——有效直徑，m：
N——土的標準貫入度。
有了直徑便可算出加固所需的旋噴樁樁數n:
n =A樁/F =A樁/0.25πD2 =1.273A樁/D2
（5）旋噴樁數算出后，即可進行孔位的布置。
3 旋噴法加固未發生病變而為提高荷載等級的墩臺基礎的設計計算
當采用旋噴法加固未發生病變而為提高荷載等級的墩臺基礎時，其設計計算步驟如下。
（1） 定出橋梁結構物將來使用時所需支承的最大荷載W最大。
（2） 標出現在加固前地基所承受的荷載W現在。
（3） 假定加固后結構新增加的荷載全部由固結體所承受：
W樁 =W最大-W現在
（4） 加固所需的樁柱的總面積：
A樁= W最大-W現在/σ樁/K3
式中：K3——加固固結體的安全系數，建議取K3=2.0；
σ樁——固結體的抗壓板限強度，按配方試驗或現場承載力試驗確定。
（5） 所需固結體總面積確定后，即可決定固結體的有效直徑D。
如采用單管法，對0〈N≤5cm的粘性土：
D=1.3（1/2- N2/200）
對5〈N〈15砂性土：
D=1/700（350+10N-N2）
式中：D——有效直徑，m：
（6） 決定樁數n:
n =1.273A樁/D2
（7） 進行樁位布置。
（三）旋噴法加固橋梁墩臺基礎的施工
1. 施工機具設備
高壓噴射注漿的施工機具及設備由高壓發生裝置、鉆機注漿、特種鉆桿和高壓管路等組成。
注漿特種鉆桿包括單管、二重管、三重管及多重管，均由導流器、鉆桿和噴頭三部分組成。
單管導流器噴管的總進口安裝在鉆桿的頂部，其作用是把不能轉動的高壓膠管和要旋轉的鉆桿噴頭連接起來，并把高壓漿液無滲漏地從膠管輸送給鉆桿噴頭。
二重管的導流器有兩個通道，分別將漿液和壓縮空氣輸送到鉆桿內，旋噴作業時，外殼不動，芯管隨鉆桿轉動。
三重管導流器外殼有三個卡口式活接頭，通過軟管與高壓泵、空壓機、泥漿泵連接。
2. 施工程序和操作要點
采用旋噴注漿法加固橋梁墩臺基礎施工的一般程序為：鉆機就位、鉆孔、插管、旋噴作業、沖洗等五道。
旋噴施工的操作要點如下：
（1） 旋噴前檢查高壓設備和管路系統，其壓力和流量必須滿足設計要求。
（2） 垂直施工時，鉆機的傾斜度一般不得大于1.5%。
（3） 在插管和旋噴過程中，要注意防止噴嘴被堵，在拆卸或安裝注漿管時動作要
快。
（4） 旋噴時，要做好壓力、流量和噴漿量的量測工作 ，并按要求逐項記錄。
（5） 拆卸鉆桿繼續旋噴時，要注意保持鉆桿有0.1m的搭接長度，不得使旋噴固結體脫節。
加固實例：
本單位現在建奉化三高連接線應部分橋梁座落在軟基段，因此需對橋梁下部進行加固，以本工程AK5+297中橋為例。
工程概況：
1.1、本工程的水泥攪拌樁處理集中在AK5+291（AK5+314）中橋的橋頭兩端，處理方式為水泥攪拌樁結合土工格柵處理方式，水泥攪拌樁直徑50cm，處理深度為7m，間距有1.5m、2.0m，水泥用量為50kg/m。主要工程量情況分布見下表：
路段樁號 碎石墊層
（m3） 預壓與超載預壓
（m3） Φ50水泥攪拌樁
(m) 土工格柵
(m2) 備注
AK5+242～AK5+262 288 415 2254 668 左橋頭加固段
AK5+242～AK5+265 331 478 1428 768 右路橋過度段
AK5+265～AK5+285 288 415 2254 668 右橋頭加固段
AK5+319～AK5+339 315 415 2100 722 左橋頭加固段
AK5+339～AK5+362 362 478 1368 830 左路橋過度段
AK5+342～AK5+362 315 415 2100 722 右橋加固段
地質條件：
屬濱海淤積平原，表層為1.5m左右的硬殼層，以下為淤泥，厚度5～8米左右，以下為硬塑性粘土、中～密實的碎石層、含礫亞粘土，性質較好～好，底部為基巖，性質較好。
水泥攪拌樁施工工藝：
采用二次噴漿、四次攪拌的施工工藝，提升攪拌速率不大于1.0m/min，下沉速率不大于0.8m/min。
其成樁工序包括：放樣定位、開挖基槽、樁機就位、預攪下沉、注漿提升攪拌、重復攪拌等各個環節。
工藝流程見下圖：
樁機就位
預攪下沉
提升注漿攪拌
復攪下沉
提升攪拌注余漿
清洗、移位
制備灰漿
其主要工藝：
1、定位：深層攪拌樁機移到指定樁位，對中并使樁機保持水平。
2、預攪下沉：待深層攪拌機的水循環正常后，起動攪拌樁機切土下沉，下沉速度由作業電機的電流控制，工作電流不能大于70A。
3、制備水泥漿：待深層攪拌樁下沉到一定深度時，即開始按設計確定的配合比拌制水泥漿，每根樁水泥漿可分數次拌制，并在壓漿前將水泥漿及時放入集料斗中，保證水泥漿不離析。
4、提升噴漿攪拌：深層攪拌下沉到設計深度時，開啟灰漿泵，將水泥漿壓入地基中，在樁底坐漿30秒，并邊噴邊攪拌，同時嚴格按照試樁確定的提定的提長速度提長攪拌機軸。
4、重復下沉攪拌：深層攪拌機軸提各到樁頂標高時，集料斗中的水泥漿應排空，為使軟土層和水泥漿充分攪拌均勻，再次將攪拌機軸邊攪拌邊鉆入土中至設計深度后，再將攪拌機重復以上工藝。
深層攪拌樁施工：
1、水泥攪拌樁所用水泥標號為p.o32.5號，施工前將水泥生產廠家的質檢單送交監理工程師，經同意后使用。正式開工前，在路基以外打入一組試驗樁，試驗樁為兩根，水泥摻入量為50kg/延米。在打入試驗樁的過程中注意：
a、檢驗機具性能和施工工藝各項技術參數，并進行實際標定，有關技術參數及時提供現場監理工程師，以作為控制水泥攪拌樁質量的依據。
b、對試驗樁進行單樁承載力和復合地基承載力測試，有關測試事宜提前與設計人聯系。
c、試驗樁所用水泥與施工所用水泥一致。
d、水泥攪拌樁機需配備電子記錄設備。
e、檢驗機具性能和施工工藝各項技術參數，并進行實際標定，有關技術參數及時提供現場監理工程師，以作為控制攪拌樁質量的依據。
2、深層水泥攪拌樁施工前，對現場施工大致找平。軟基處理范圍如有地下管線，及時與有關單位聯系管線遷移事宜，管線遷移完畢后再進行施工。如管線不能遷移，需報驗，避免在管線位置上施工。
3、水泥攪拌樁在施工前做好機具準備，參照《軟土地基深層旋噴加固法技術規程》所規定的程序上報。
4、灰漿泵輸漿量，灰漿經輸漿管到達噴漿口時間以及鉆頭起吊提升速度按試驗標定參數進行。
5、泥漿制備時必須根據實驗樁所確定的工藝參數及刻度尺寸進行，嚴格按設計要求的水灰比進行施工。
6、 灰漿泵輸漿量，灰漿經輸漿管到達噴漿口時間以及起吊提升速度按試驗標定參數進行。
7、 攪拌樁下沉時一般不應沖水，當個別土層較硬攪拌下沉太慢時，可少量加水，凡經輸漿管沖水下沉的水泥攪拌樁，噴漿提升前必須將噴漿管內的水排清。
8 、前臺操作與后臺供漿應密切配合，前臺攪拌機噴漿提升的次數和速度與試驗樁已標定的施工工藝參數相吻合。當后臺供漿停機時，及時通知前臺，以防止斷樁和缺漿，并使攪拌樁機下沉至停漿點以下0.5m，待恢復供漿時再噴漿提升。停機后3小時，將輸漿管拆下，妥為清洗。
9、當攪拌樁樁頂接近設計標高時，應特別注意樁頭的施工質量，攪拌機自地面以下1m噴漿攪拌提升出地面時，宜應慢速，當噴漿口離地面0.5m時，宜停止提升，攪拌10秒-20秒，以保證樁頭密實均勻。
10、水泥攪拌樁施工時施工現場合理設置排水溝，將廢棄泥漿由排水溝排至指定位置，防止污染周邊環境。施工時應注意合理安排時間，盡量避免夜間施工，減少噪音對附近居民的影響。
11、水泥攪拌樁施工完畢養護一個月，經檢測合格后開始鋪筑50cm碎石墊層，首先施工下層30cm，然后鋪筑一道TGS80-60土工格柵，再施工上層20cm碎石，然后從第二層起，按路基要求填筑至路基定面，再按S4-6設計規定高度堆載預壓高度堆載預壓。
3.7灌漿法
灌漿法創始于1802年，法國工程師采用灌注黏土和水硬石灰漿的方法修復了一座受沖刷的水閘。此后，灌漿法已成為地基加固中的一種廣泛使用的方法。
灌漿法是指利用液壓，氣壓或化學原理通過注漿管把漿液均勻地注入橋梁地基中，漿液以填充，滲透和橋密等方式，趕走土粒間或巖石裂隙中的水分和空氣后占據其位置，經人工控制一定時間后，漿液將原來松散的土粒或裂隙膠成一個整體，形成一個結構新，強度大，防水性能好和化學穩定性良好的“結石體”
（一）灌漿材料
灌漿工程中所用的漿液是由主劑、溶劑及各種外加劑混合而成，通常所指的灌漿材料，是指漿液中所指的主劑。
灌漿材料常分為粒狀漿材和化學漿材兩個系統。
粒狀漿材主要包括純水泥漿、粘土水泥漿及水泥砂漿三種，這些漿材容易取得，成本低廉，故在橋梁墩臺基礎加固中應用較多。為了改善粒狀漿材的性質，以適應各種自然條件和不同灌漿目的的需要，還常在漿液中摻入各種外加劑。
（1）水泥。灌漿工程中應用最廣泛的是普通硅酸鹽水泥，某些特殊條件下還采用礦渣水泥，火山灰水和抗硫酸鹽水泥等。
（2）水的作用和要求。水的作用有兩種：一是將固態水泥變成懸浮液，以供灌注；二是對水泥顆粒水解和水化，使化合物形成晶體并相互結合成網狀結構，從而把水泥漿逐漸形成具有一定力學強度的結石。
（3）砂的作用和要求。在較大的孔隙和裂隙中灌注漿時，常在水泥漿中加砂以形成經濟的漿液。有時為了防止漿液擴散過遠，還可用摻砂的方法提高漿液的固體含量和降低其含水量，從而使漿液獲得較高的摩擦剪切強度。
化學漿材的品種很多，包括環氧樹脂類，甲基丙烯酸酯類，聚氨脂類，丙烯胺類，水質素類和硅酸鹽類等。
（二）灌漿分類
根據灌漿機理，灌漿法可分為下述幾類：
1 滲入性灌漿
在灌漿壓力作用下，灌液克服各種阻力，滲入橋梁地基的孔隙或裂縫中，地基土層結構基本不受擾動和破壞。滲入性灌漿適用于存在孔隙或裂縫的地基土層，如砂石地基等。對顆粒型漿液，其顆粒尺寸必須能進入孔隙或裂縫中，因此存在可灌性問題。可灌性用可灌比值 表示，對沙礫石地基：
N=D15/d85<10~15
式中：D15——沙礫石中含量為15%的顆粒尺寸
d85——灌漿材料中含量為85%的顆粒尺寸
也可用滲透系數 來間接評價：當K>(2~3)*10-1cm/s時，可用水泥漿液；當K〉（5~6）*10-2時，可用水泥黏土漿。
另外，漿液的黏度對滲入性灌漿影響較大。粘度越大，其流動阻力也越大。因此，需要較高的壓力以克服其流動阻力，而且只能灌注較大的孔隙尺寸。除丙凝等少數漿液外，多數漿液的粘度隨時間而增加，在灌漿過程中應于重視。
在滲入性灌漿中，影響漿液擴散范圍的因素有地基地層的滲透系數，漿液的粘度，灌漿壓力，灌注時間等。各國學者對灌漿漿液擴散范圍提出許多計算理論，如球形擴散理論，柱形擴散理論和袖閥管理論等。上述理論對天然地層都做了一些簡化，而天然地層情況往往較復雜，故在橋梁墩臺基礎加固工程中，一般還是以現場灌漿試驗確定灌漿壓力，灌漿時間和漿液擴散范圍的關系，并從技術和經濟方面綜合分析，作出灌漿設計。
2 劈裂灌漿
依靠較高的灌漿壓力，使漿液能克服地基中初使應力和土體抗拉強度，使土體沿垂直于小主應力的平面或土體強度最弱的平面上發生劈裂，使滲入性灌漿不可灌的土體可順利灌漿，增大漿液擴散范圍，達到地基加固目的。
對巖石地基，目前常用的灌漿壓力尚不能使新鮮巖體產生劈裂，主要是使原有隱裂縫或微細裂縫產生擴張。
對于沙礫石地基，其透水性較大，漿液滲入漿引起超靜水壓力，到一定深度后將引起沙礫石層的見剪切破壞，土體產生劈裂。
對粘性土地基，在具有較高灌漿壓力的漿液作用下，土體可能沿垂直于小主應力的平面產生劈裂，漿液沿劈裂面擴散，并使劈裂面延伸.在荷載作用下，地基中各點小主應方向是變化的，而且應力水平不同。在劈裂灌漿中，劈裂縫的發展走向較難估計。
3 壓密灌漿
在地基中灌入較濃的漿液，漿液迫使注漿附近土體壓密而形成漿泡。開始灌漿壓力基本上沿徑向擴散，隨著漿泡的擴大，灌漿壓力的增大，便會發生較大的上抬力。壓密灌漿形成的上抬力能使地面上抬，或使下沉的橋梁墩臺回升。壓密灌漿是用濃漿液置換和擠密土體的過程。
壓密灌漿常用于砂土地基，粘土地基中若有較好的排水條件也可采用壓密灌漿。
壓密灌漿形成的漿泡形狀與土的物理力學性質，地基土的均勻性,灌漿壓力,灌漿速度等有關.漿泡形狀在均質地基中長為球行或圓柱狀,漿炮橫截面直徑可達1.0米或更大.離漿泡截面0.2~0.3米以內土體能受到明顯的擠密.
4 電動化學灌漿
在地基中插入金屬電極并通過直流電,在電場作用下,土中水會從陽極向陰極流動,這種現象稱為電滲.借助于電滲作用,在粘土地基中即使不采用灌漿壓力,也能靠直流電將漿液注入土體,或者將漿液依靠灌漿壓力注入電滲區,通過電滲使漿液擴散均勻,提高灌漿效果.
(三)灌漿設計
灌漿設計一般包括下列內容
1 地質調查
探明需處理和加固的橋梁墩臺基礎處地基的地質和水文情況.
2 選擇灌漿方案
根據地質,水文情況以及灌漿目的和要求,初步選擇灌漿方案.
灌漿目的主要指:是以降低土的滲透性達到防滲,堵漏的目的;還是以提高土的強度和變形模量達到提高地基承載力和減小沉降的目的.另外,還有通過灌漿使已發生不均勻沉降達到糾偏的目的.
灌漿方案包括;灌漿加固處理范圍,灌漿材料和灌漿方法等.灌漿材料一般應優先考慮水泥系漿材.
灌漿方案確定后,通過灌漿試驗確定相應的漿材配合以及灌漿工藝.
3 確定灌漿孔位置
灌漿孔徑位置包括布置形式和孔距.根據灌漿目的和灌漿試驗得到的灌漿有效范圍確定灌漿孔位置,通過合理布孔以獲得較好的經濟效益.
4 確定灌漿壓力
通常通過工程經驗和灌漿試驗確定.
(四)灌漿施工
1. 施工中主要技術參數確定
硅化加固法有：無壓硅化、壓力硅化和電動硅化。壓力硅化又分單液硅化和雙液硅化,單動硅化則為雙液硅化.各種硅化法的適用范圍視所加固橋梁墩臺地基土的滲透系數而異
(1)不同滲透系數土的硅化加固半徑和溶液灌注速度,硅化后抗壓強度等
(2)壓力硅化法的壓力:壓力硅化法灌注溶液的壓力,一般不超過0.3MPa,不能過高,以免溶液流散;宜采用低壓慢灌,以保證質量.
(3)孔位布置:孔位布置應能使被加固土體在平面和深度范圍內連成一個整體,每邊超出基礎底面寬度不小于0.5米,以平面呈三角形,間距為1.73V/cm;排距為1.5R 為宜.
(4)電動硅化法的電壓梯度:采用電動硅化時,直流電源的電壓梯度宜為0.5~0.75V/cm;如用鋼筋作為電極棒時,其直徑不得小于22毫米.
2 材料要求和用量
一般水玻璃模數宜為2.5~3.3,不溶于水的雜質含量不得超過2%,顏色為透明或稍帶渾濁;氯化鈣溶液pH值不得小于5.5~6.0,每一升溶液中雜質不得超過60克,懸浮顆粒不得超過1%,溶液總用量可按下式計算
:
Q=1000KVn
式中：Q——溶液總用量,L;
V——硅化土的體積,m3;
n——土的空隙率;
K——經驗系數,液塑~軟塑狀粘質土,細紗, k=0.3~0.5;中砂,粗砂, k=0.5~0.7;
礫砂, k=0.7~1.0;濕陷性黃土, k=0.5~0.8.
3 硅化法所需機具設備
采用硅化法作橋梁墩臺基礎加固施工時,所需機具設備大致如下.
(1)注液管:注液管由內徑20~50毫米,壁厚不少于5毫米的鋼管制成,包括管尖,有孔管和無孔接長管三部分.管尖是一個25度~30度的圓錐體,尾部帶有絲扣,與有孔管連接;有孔管一般長0.4~1.0米,每米長度內應有孔眼60~80個,孔眼宜加工成喇叭口形,直徑為1~3毫米,分四排交錯排列;無孔接長管一般長1.5~2.0米,兩端有絲扣,可根據需要接長.
(2)齒輪汞和空氣壓縮設備:應能在0.6MPA的壓力內,向每個注液管以5~10L/MIN的速度供應溶液;輸送溶液和輸送壓縮空氣的膠管,軟管和注液用的連接部,閥等,其規格應能適應灌注溶液所采用的壓力.
(3)達孔設備:采用震動打拔管機,振動鉆或三角架穿心錘,錘的質量為25~30千克,此外還應配備拔管設備,沖洗管道的水汞及帶有噴嘴的膠管.
(4)其他:溶液攪拌設備和盛放溶液的桶以及壓力表,溫度計,比重計算.采用電動硅化化法時,還應配備直流電源設備以及電路所需設備.
4硅化法加固施工灌液操作工序
硅化法灌液操作工序分:打管,沖管,試水,灌液和拔管等五道工序.
(1)打管:設置注液管和電極棒宜采用打入法.如土層較深,宜事先鉆孔至所需加固區域頂面以上2~3米,鉆孔的孔徑小于注液管和電極棒的外徑,然后再進行打入.
(2)沖管:打管時不免有沙子進入孔管的孔眼中,故下官過程要鋪業灌水,以防填塞.用沖洗管放入注液管內,接上汞后壓水沖洗,使管內雜質隨水順管口溢出,直到水變清為止.
(3)試水:沖洗干凈后,裝上混合器用汞試水,以便漿液順利流入.并借此了解土的滲透系數,調整漿液配合比,檢查汞及管路運行情況.
(4)灌液:先用土或水泥,水玻璃混合料封閉溶液管壁與地面交接處,以防灌液時溶液沿管外壁上冒流竄,然后立即向土中灌注漿液.灌注初始壓力宜小,隨加固深度增加而增加,每深一米,壓力增加20~50PA.注意,灌注速度對加固能否形成堅實整體影響很大,應嚴格控制,均勻灌入.
(5)拔管:灌注完后，應隨即拔出注液管，一般不要超過半天，拔出管后要及時刷洗注液管等以便保持通暢潔凈。拔出注液管后土中所留下的孔洞，應用1：5水泥砂漿填塞。
（五）灌漿效果及檢驗
在橋梁基礎的地基中進行滲入性灌漿，劈裂灌漿可以改善土體性質，提高地基承載力和改善壓縮性能。當進行壓密注漿時，可使地基土壓密并可使橋梁基礎承受較大的上臺力，還可以通過注漿達到部分糾偏的效果。在橋梁基礎的地基中注漿，通過合理布孔，并重視灌漿的不可控性。在注漿過程中漿液一般是向低應力區滲流的，在橋梁基礎下注漿，通過合理布孔，控制注漿壓力防止漿液流失，在四周通過高壓噴射注漿法設置防滲墻或設置板樁墻
灌漿技術也可應用來改善樁側和樁端土的性質，提高樁側土摩阻力和樁端土的端承里3，從而提高橋梁樁基承載力
先在軟基中造樁，后對樁側進行壓力灌漿，通過預埋灌漿管壓入漿液自樁底向上擴展，并在樁周圍形成一層漿殼和許多伸入土層中的漿脈，使樁身與周圍土體之間的摩擦力提高。也可對樁端土體進行壓力灌漿，提高樁端土承載力。應用灌漿技術提高樁承載力既可應用于制樁，也可應用于處理已有樁基病害，技術效果較好，經濟效益顯著。
灌漿效果檢驗視灌漿目的的不同而異。以堵漏和糾偏為目的的灌漿加固，在施工過程中是否已達到目的就是最好的效果檢驗；以防滲為目的的灌漿加固，其工程效果檢驗，除灌漿質量應符合設計要求和施工規范外，還要通過現場滲透試驗來檢驗其效果；以提高地基承載力和變形模量為目的的灌漿加固，除檢驗其灌漿質量外，還需通過原來試驗和荷載試驗檢驗加固效果。
3.8橋梁墩臺基礎改造
為了提高橋梁的通過能力，往往需要對舊橋采取拓寬措施。隨著上部結構的拓寬，必將要求加寬原有墩臺基礎。同時，由于設計考慮不周、臺背高填土和基礎承載力不足等原因，使橋臺或橋墩產生不同程度的沉陷，從而影響橋跨結構的正常使用。為此，亦需相應加高橋梁墩臺。
墩臺的加高
橋梁墩臺產生淪陷，嚴重時影響橋下凈空，甚至會阻礙通航；另外，由于墩臺的沉降，會使橋梁產生不均勻受力，出現局部破壞，惡化了上部結構的受力狀態，影響橋梁的正常使用。
1. 墩臺加高的施工順序
1）施工準備
墩臺加高施工的準備工作如下：
（1）進行詳細的調查研究，測定沉降量，了解舊橋墩臺的下沉情況，從而確定施工方案。
（2）根據確定的施工方案，做好施工場地及施工機具的準備工作。
（3）澆筑預制鋼筋混凝土墊塊。
（4）橋上如有公用事業單位餓各種管線，必須事先采取相應措施。
（5）把邊孔橋面兩端，橋臺與橋墩兩處的伸縮縫處鑿開，并清掃干凈。
（6）搭設井架，安裝油泵。
2）頂升橋梁加高墩臺
在以上各項準備工作就緒并試頂后，即可進行橋面全面頂升。
2. 墩臺基礎加高的施工方法及其注意事項
橋梁頂升施工中，應區別不同的情況采用不同的反復同時注意以下四個方面。
（1）對不同形式的橋梁采用不同的頂升方法。
（2）千斤頂的安置一定要豎直，不能傾斜。
（3）因橋臺沉陷引起的梁縱向位移，如需進行矯正時，一般可采用橋下頂升矯正法，扒桿起吊矯正法或橋上頂升矯正法。
（4）橋梁橫向位移及頂升罰，在墩臺加高改建中，有時還可以把舊橋頂升并進行橫向位移。
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