纵向抬桩法在桥梁桩基加固中的应用

■肖长进

（福州交建高速公路养护有限公司，福州 350001）

我国在役桥梁数量庞大，桥梁在运营过程中常因人为因素和环境变迁而遭受破坏，其中桩基破坏将严重削弱桥梁的承载能力、稳定性和耐久性，必须采取适当的措施对病害桩基进行加固[1、2]。常用的桥梁桩基加固方法有增补桩基法、注浆法、锚杆静压桩法、外包钢筋混凝土法、外包钢法、钢套筒法、夹克法、扩大基础法、混凝土缺陷修复法、抛石护坦法等。

抬桩法是增补桩基法的一个分支，其特点是在旧桩侧面增加一根或者数根新桩，并采取适当措施将新、旧桩连成整体共同承受上部荷载，随时间推移，在河床冲刷及新旧桩差异性沉降的条件下，旧桩缓慢退出承载，最终由新桩承受全部或大部分上部荷载[3]。该方法的优点是能较好解决现有桩基竖向承载能力和抗剪承载能力不足的问题，有效地增强了墩柱的抗弯刚度；缺点是大范围改变了桥梁的下部外观， 对桥梁景观影响较大，且对河流的泄洪能力影响大。

下文将以福州橘园洲大桥为工程实例，介绍纵向抬桩法在桥梁桩基加固中的应用。

1 橘园洲大桥工程病害概述

橘园洲大桥位于福银高速福州连接线，横跨福州市仓山区建新镇与闽侯县上街镇之间的乌龙江上，由西引桥、主桥、东引桥及建新互通立交桥组成，是金山区通往上街大学城的必经之路。

桥位处主要发育有第四系全新统长乐组冲积层、海积层和冲洪积层，包括粘性土、砂类土淤泥(淤泥质粘土)砾石、卵石等；第四系残坡积层及燕山晚期侵入的花岗岩、黑云母花岗岩、正长斑岩。桥位处基岩埋深较深，一般大于50m。

该桥运营以来使用状况一直良好。但是近年来，由于乌龙江河道的压缩、上游长期采砂活动、河道的疏浚等原因，橘园洲大桥所在的江段水文环境发生变化，呈现西岸淤积、东岸冲刷的状况。同时受河床冲刷、污水锈蚀、潮汐和汛期水位变化引起的干湿交替作用等因素影响，桥梁桩基所处水文环境发生变化，河水中桩基劣化程度较为严重。

通过对橘园洲大桥的主桥、建新互通立交桥的主线桥、A 匝道桥、C 匝道桥所有桩基的外观检测调查及桩基混凝土强度检测，发现主要存在病害如下(图1)：

(1)桩身严重裸露在河床之上，裸露的高度最高达到了14m 左右；

(2)裸露在河床上的桩身由于受水流冲刷作用，桩身基本上出现了砂石裸露现象(图1.a)；

图1 桥梁桩基病害

(3) 某些桩基的桩身混凝土出现了破损掉块现象，破损面积最大达到了2.7㎡左右(图1.b)；

(4)许多桩身钢筋裸露在大气中或者水中，而且发生了严重的锈蚀现象(图1.c)；

(5)桩身某些部位出现了冲刷掏空现象，掏空的洞深最深达到了25cm 左右(图1.d)；

(6)桩身出现了凹凸不平现象，凸出点距承台边缘线最远达到了150cm 左右；凹进点最深达到了60cm 左右；

(7)有些桩基出现了缩径现象，现场实测的桩身周长比原设计周长最多的小了28cm。

对主线桥(金上大桥及建新互通主线桥)、A 匝道、C 匝道桩级情况进行统计，结果如表1 所示。根据 《公路桥梁技术状况评定标准》 (JTG/T H21-2011) 第4.1.8 条规定，按照桥梁主要部件最差的缺损状况对全桥总体技术状况进行评定，橘园洲大桥总体技术状况为4 类桥。 根据 《公路桥涵养护规范》 (JTG H11-2004)第3.5.4 条规定，应对桥梁进行大修或改造，及时进行交通管制，如限载、限速通行，或关闭交通。

表1 各位置桩级统计

2 加固方案与加固原理

2.1 加固方案

抬桩加固分为横向抬桩和纵向抬桩。横向抬桩只能提高基础竖向承载力，无法提高桥墩的纵向抗弯刚度，而本桥病害为河床冲刷下切，造成桩基入土深度减小，承载能力下降， 并且河床下切导致桥墩的计算高度增大，纵向抗弯刚度减小。此外，横向抬桩适合桥宽较小的桥梁，橘园洲大桥主桥宽达12.25～24m，每个桥墩至少有4 根桩基， 两幅桥梁桩基之间的净距仅为6.15m，单幅梁桩基间设有系梁，没有横向加桩的空间。因而横向抬桩方案不合适，故采用纵向抬桩方案。

通过采用新增两根桩基对原一根桩基进行加固，加固方案新旧桩中心间距仅2 倍桩径，根据上部结构荷载大小及桥墩处地质情况差异， 新桩桩径分为1.4m 和1.5m 两种，桩长为55～62m，全桥共增加214 根桩和47个承台。金山大桥引桥及互通主线桥在原Φ1.8m 或者1.5m 桩基纵桥向各新增两根Φ1.5m 桩基，即对左右幅15#～23#、左幅30#、左右幅31#～32#采用纵桥向4 根Φ1.5m 桩基对原2 根Φ1.8m 或者1.5m 桩基进行加固；对左右幅24#～29#、 右幅30#采用纵向6 根Φ1.5m 桩基对原3 根原Φ1.8m 或者1.5m 桩基进行加固。A 匝道桥、C 匝道桥(出A 匝道桥3#墩和C 匝道桥18#墩)纵桥向4 根Φ1.4m 桩基对原2 根Φ1.4m 或者1.5m 桩基进行加固。

新桩基与老墩之间采用一工字型承台联结。承台内部采用热轧普通工字型钢作为承台主受力构件，工字钢通过下缘焊接的槽钢互相连接， 以上型钢组成承台托架。为加强承台与原有墩柱、系梁连接，植入一定数量的钢筋。

2.2 加固原理

当新增桩施工完成后，直接在桩顶浇灌包裹旧桩的承台。虽然新旧工程桩经承台的连接形成一个整体，但由于新桩的时间和变形效应无法马上承担荷载。即新桩的沉降在短期内并未稳定，在一段时间内还要发生较大的沉降。 随着时间的推移、 旧桩基础变形的进一步发展，增补的新桩才能开始发挥作用。新桩在开始阶段只会承担新浇筑承台的自重荷载，随着时间推移，新桩桩顶力逐渐增大，承担上下部荷载的比例增大，直至旧桩完全失效，新桩将承担上下部所有传递荷载。

3 施工工艺

3.1 桩基加固施工顺序

栈桥及钻孔平台搭设→钢护筒施工→钻孔施工→钢筋笼制作安装→灌桩→钻孔平台拆除及承台施工平台搭设→桩头及承台表面处理→系梁及桩柱植筋→承台制作。

其中钻孔平台搭设、钻孔施工、钢筋笼制作安装、灌桩、承台施工平台搭设及承台制作均采用常规工艺。

3.2 钢护筒打设

橘园洲大桥桥址处河床表层为中粗砂和中细砂，砂层总厚度约20m。考虑到饱和砂土地层在钻孔过程中极易坍塌，原设计要求钢护筒必须穿透砂层直至卵石夹土层顶面。 桩径1.4m 和1.5m 的新桩分别采用内径1.6m和1.7m 的钢护筒，经现场试验，采用DZJ-150 型振动锤也不能将如此直径的钢护筒打入卵石夹土层，而现有技术条件下无法采用更大功率的振动锤。

为解决这一施工难题，经理论研究和现场试验，确定采用DZJ-150 型振动锤施打钢护筒， 辅以冲击钻引孔的方式，能够达到设计标高。

现有桥位河床泥面线处存在大量原桥施工与防护所遗留混凝土块和抛石， 导致新增加固桩基钢护筒无法施工。在桩位建筑垃圾无法清理的情况下，宜采取双护筒引孔方案进行钢护筒施打就位。

钢护筒的施工质量直接影响桩基施工质量，要严格保证钢护筒的入土深度及垂直度，同时钢护筒要有足够的刚度，保证钢护筒在施工过程中不变形。

3.3 钻机选型

橘园洲大桥桥址处水深约10m，桩基钻孔实际进尺约55m，钻进过程中要穿过中粗砂层、中细砂层、卵石夹土及强风化黑云母花岗岩层或正长斑岩等地层，其中砂层约20m，卵石夹土层约16m。原设计采用回旋钻机进行钻孔施工，现场工艺试验表明，回旋钻机在沙土层中钻进时极易塌孔， 在卵石夹土等地层中钻进速度缓慢，不能适应橘园洲大桥桩基加固的需要。

考虑到桥下施工净空及地质因素， 改用JK-15 型冲击钻正循环钻孔，经现场工艺试验能顺利成孔。采用有限元软件对既有桩基附近冲击钻孔过程进行模拟分析， 结果表明冲击钻孔对旧桩周围土体有一定的挤密作用，能有效防止塌孔和旧桩偏位。冲击挤土会对既有桩身产生一定的横向力， 但其值较小， 不影响原桩安全。

3.4 桩头及承台表面处理

新桩浇筑完成并达到适宜的强度后，割除多余的钢护筒，凿除桩头，桩顶伸入承台15cm，但应将深入承台内部的桩身钢护筒割除， 防止钢护筒与承台钢筋接触而发生电化学腐蚀。

原桥使用多年后，原系梁及旧桩表层混凝土已部分破损，劣化较严重。施工时用人工配合小型机具对其表面进行凿毛处理，直至露出完好的混凝土面，并形成凹凸不平的面。混凝土浇筑前对接触面进行清洗，并按规定涂抹水泥砂浆，确保新旧混凝土接触良好。

3.5 系梁及桩柱植筋

承台钢筋绑扎前在原系梁及桩柱上植入一定数量的L 形钢筋，植入的钢筋由直径20cm 的带肋钢筋制作而成， 横向间距45cm， 竖向间距90cm， 并在承台顶、底面处与新承台钢筋网连接成整体。

植筋在抬桩加固中具有至关重要的作用。它不仅能增强新旧承台间的连接，而且将对新承台混凝土的收缩徐变产生较强的束缚作用，防止因新、旧混凝土龄期差别巨大而在新旧混凝土接触面引起收缩裂缝。

4 加固技术要点

4.1 新增桩桩长与桩径的选择

采用抬桩法加固桥梁，一般是为解决其基础承载能力、耐久性不足等问题。这类桥梁常因河床冲刷而导致桩基外露，对采用桩柱式基础的桥墩，由于原桩径与墩柱直径相差不多，桩身外露将使墩柱的计算长度加长。抬桩法加固桥梁不仅要解决原桩承载能力、耐久性不足的问题，还需要对桥墩纵、横向抗弯刚度进行适当的加强。因此在确定桩长、桩径及桩的布置形式时不仅要考虑承载能力，还应当考虑增大基础锚固刚度的问题。

4.2 承台制作应考虑的问题

新旧桩承载变换过程中， 承台作为主要的传力构件，其受力状态随时间的推移而发生改变，由于新旧桩间距较小，承台以承受剪力为主，其受力状态可分为三个阶段。施工完成的初始阶段，承台自重由新旧桩基一起承受，随后，在旧桩沉降极少的情况下，新桩桩侧和桩底反力尚不足以支撑其自重而对承载产生向下的拉力，最后在基础沉降的影响下，新桩承受的上部荷载逐渐增大，旧桩承受的上部荷载逐渐减小。通常设计时常忽略第二个阶段承台受力状况，承台顶面配筋量不足，将致承台在第二阶段受力过程中出现裂缝等病害。尤其是在地质条件较差，在新桩自重作用下土体压缩量大的地区，这种破坏将更加明显。

5 结语

(1)目前，橘园洲大桥桩基加固工程已经完工，采用纵向抬桩法加固施工全过程均未涉及水下作业，加固施工安全高效。

(2)采用纵向抬桩法加固后，显著增强了桩基承载能力和刚度，增强了墩柱抗弯刚度，对桥梁承载能力及受力性能改善效果显著。

(3)在砂质地层中进行抬桩加固时，采用冲击引孔方式打设钢护筒和冲击钻钻孔有助于降低施工风险、提高施工效率。

[1]李万恒.桥梁养护的形势与任务[J].中国公路，2013，(23)：42-43.

[2]孙颖.桥梁生命的延续工程—关于我国旧桥维修与加固工程的现状[J].中国公路，2005，(2)：63-65.

[3]于坚.316 国道福州洪塘大桥整治方案探讨[J].广东科技，2008，(2)：150-151.