石拱桥下部结构病害及加固措施

石拱桥下部结构病害及加固措施
【摘要】本文对石拱桥下部结构的病害及其形成原因进行分析阐述，进而针对各部位的病害特征提出其维修和加固措施。

【关键字】石拱桥下部结构病害加固措施
前言
石拱桥结构大多建造年代久远，服役年限过长，尤其是古代石拱桥，建造时仅仅考虑到当时的使用要求和交通流量。

石拱桥在古代的实际服役状态是完全可以满足古代的交通流量，因为古代并没有现代的汽车等重荷载通过桥梁，最多是古代的马车。

这种情况下石拱桥在古代的服役年限也相当长，多长达上千年。

本文所研究的安徽省某县龙门桥始建于明神宗万历12年，即公元1584年，为五孔半圆弧拱桥，桥长59.3米，宽约6米，服役年限达424年，在漫长的使用过程中，人为使用因素、战争、火灾、不可抗拒的地震、泥石流、环境污染、地基沉降、材料风化、河床冲刷、河道变迁等外界因素导致桥梁结构产生永久性损伤或经过处理完全可以消除的一般性损伤。

这些损伤称作病害。

桥梁病害是桥梁内、外部致病根源的直接反映和表征，也是科学、合理地选择维修加固技术与施工方法的依据。

因此，在对石拱桥进行性能试验评估前一定要调查清楚拱桥本身存在的病害，以便做出正确的评定结论。

一般情况下，石拱桥产生病害的原因分为外因和内因。

外因一般包括不可抗拒的战争、火灾、地震、泥石流、环境污染、地基沉降、材料风化、河床冲刷、河道变迁、雨水侵蚀等；这里的内因是指与人为有关的因素，主要是指施工质量差与设计不合理、选用的石材节理不充分发育等。

由于施工引起石拱桥病害原因有：灰缝不饱满、砂浆强度太低、石料标号太低、砌石未错缝等、过早卸架，未等拱上建筑完成而裸拱卸载。

1下部结构病害及其成因分析
墩台和基础是直接承担上部结构的荷载(包括恒载和活载)，并将之传递给地基。

基础与墩台的使用状况是确定桥梁运营安全的重要因素之一。

下部结构的病害将直接引发桥梁承载能力不足(或降低)或其他病害。

基础、墩台及桥台的常见病害有以下几种：
1.1基础病害分析
我国常见的古代石拱桥大多是浅基础，限于古代生产力发展水平，没有现代化的施工机械，对桥梁地基的处理可能不太完善。

由于地基的压密下沉而引起基础沉降，这对于任何一座桥梁都是难以避免的，在一定范围内是正常现象，而超出一定的范围则将对桥梁产生有害的影响，石拱桥在软土地基上修建的桥梁基础，由于经常受到土基压实下沉和地下水位下降等的影响，经常会产生不均匀沉
降。

其病害特征：基础的位移(含竖向不均匀沉降和水平方向移动)和转动使其上部位移、倾斜，并可能因此而产生附加内力，甚至因过大的位移、转动而导致构件开裂。

其产生的成因为：由于外部荷载太大或地基承载力不足等原因，致使墩台、基础发生沉降、位移、转动。

基础受到洪水的冲刷，严重时基底被掏空，墩台悬空，基础常发生滑移现象。

滑移程度的大小与洪水冲刷的深度有关。

防护设施设置不当或为采取保护措施或者下游不合理地采砂，改变了水流速度，造成水流的冲击力增大，基础也可能被掏空。

基础受到洪水的冲刷后，迎水面的地基土被冲走，墩台根部的侧向压力减少，基础整体性被破坏，于是产生了侧向滑移。

当桥台很高时，位于软土地基的桥台后面的填土如果处理不当可能产生过大的主动土压力，导致桥台前倾，土体向前滑移，存在重力二阶效应，日积月累便会产生更大的滑移和倾斜。

由于拱桥的特殊特点，主拱圈对桥墩产生很大的水平推力，如果桥台在设计时不合理，两侧的主拱圈便会对桥台产生不平衡的水平推力，再加上施工中存在质量问题，从而导致不可避免的桥墩滑移。

石拱桥的自身特点是石料与石料之间仅仅有一些类似砂浆的填充物，经过年代久远洗礼的石拱桥往往存在主拱圈拱石相互联系强度很弱，由于桥墩的滑移，导致作为主要承重结构的主拱圈不可恢复的开裂，使得主拱圈的刚度下降，甚至产生裂缝，拱顶挠度变大，拱轴线变得较坦，拱脚的水平推力变得更大，进一步加大桥墩的水平不平衡推力，加大了墩台的滑移倾向，形成恶性循环。

基础的应力集中和局部开裂，桥梁结构的基础受力不均匀时，会产生局部应力集中现象。

当局部应力过大，超过风化侵蚀后石材的极限抗压强度时，便会在基础应力集中部位的石料产生裂缝。

图1 石拱桥基础冲蚀病害一例
1.2墩台病害分析
墩台常见的裂缝病害主要包括网状裂缝、水平裂缝、竖向裂缝、桥台前墙和侧墙开裂等。

墩台水平裂缝大多是砌筑时灰缝不饱满，经过多年的雨水侵蚀和冲刷松散而脱落，最终形成墩台水平裂缝。

这种水平裂缝易于修补，只要将缝内砂灰清洗干净，待缝内干燥时用高强度灌注浆灌入缝内即可。

墩台竖向裂缝大多呈现下宽上窄状况，这是由于地基承载能力不足或河水冲刷地基而引起的基础不均匀沉降导致的结果。

桥台前墙和侧墙开裂的主要原因是填土不良、冻胀；或者侧墙和前墙厚度不够，侧向土压力过大，从而引起前墙和侧墙开裂。

其病害特征：侧墙(前墙)常出现顺桥向、横桥向(或竖向)裂缝;裂缝沿砂浆或石料发展，有的裂缝同时贯穿砂浆和砌筑石料；裂缝宽度，多为中间宽两头窄的形态；裂缝深度，可能为表面裂缝也可能为深层裂缝。

裂缝走向、长度、宽度和深度因不同的病害根源而呈现不同的特征。

成因分析：引起桥台侧墙或前墙开裂的主要有以下等因
素：荷载过大，使侧墙（或前墙）承受的土侧压力增大，特别是一些车辆太靠侧墙行驶；台内填土不密实，排水系统失效；砌筑砂浆或石料强度低；发生了不均匀沉降；设计、施工等原因。

墩台其他原因引起的破坏主要包括抹灰层和灰缝脱落、石料表面风化、起皮、麻面、石料剥落、防撞台分水尖撞坏，造成砌体内部石料腐蚀质变酥化，抗压强度不足而局部压碎，进而导致受力不合理，产生新的裂缝和砌体剥落。

另外撞击也会破坏墩台，桥梁墩台在过往船只和漂流物的撞击下，造成砌体开裂，石料破损、缺失，进而为河水侵蚀冲刷提供了条件。

图2为石拱桥墩台破坏一例。

图2 石拱桥墩台病害一例
1.3桥台病害分析
桥台病害表现为侧墙外鼓，其病害特征为：拱上局部区段(尤其是拱顶段)侧墙外鼓呈曲面；如外鼓严重则易引起侧墙发生侧倾与开裂。

侧墙外鼓甚至外倾常与侧墙开裂相伴产生。

成因分析：桥台侧墙外鼓的病害成因，与桥台开裂病害成因相似基本相似，此外，侧墙开裂严重时，将极大的削弱侧墙的刚度，也可能引发侧墙外鼓病害，如图3所示。

图3 石拱桥桥台侧墙外鼓病害
2下部结构加固措施
墩台基础在使用过程中，由于过桥车辆荷载的加重以及自然作用的影响，会使基础产生沉陷、墩台出现倾斜和过大的裂缝。

为此往往根据墩台基础不同的损坏程度，不同的结构情况进行维修加固，以确保行车安全，延长使用寿命。

同时可避免拆除重建，从而减少投资，充分发挥现有公路基本设施的经济效益和社会效益。

2.1墩台的维修及加固
墩台的维修工作内容包括：A. 清除墩台顶面污秽和防止顶面积水；B.对砌缝砂浆脱落处进行勾缝，处理风化表面；C. 修补局部表面破损，修整镶面；D. 处理裂纹，处理因砂浆流失而造成的内部空洞现象；E. 对风化、破损和裂纹等病害进行综合修整；F. 修整损坏的支承垫石，墩台变位的观测和处理；G. 改善台后排水设备等一系列工作。

墩台的常用加固法有：A.用钢筋混凝土套箍或护套加固贯通裂缝的墩台法。

当桥台由于基础埋置深度不够，或因施工质量控制不严等原因，导致墩台开裂破
损时，有时会出现贯通裂缝，可采用钢筋混凝土围带或钢箍加固。

加固时，一般在墩身上、中、下分设三道围带，其间距应大致相当于桥墩侧面的宽度。

每一围带的宽度根据裂缝的情况和大小而定，一般约为墩台高度的1/10，厚度采用10~20cm。

当墩台损坏严重，有严重裂缝及大面积表面破损、风化和剥落时，则采用围绕整个墩台设置钢筋混凝土护套的方法进行加固；B. 用支撑法或增建挡土墙法处理墩台滑移；C. 用顶升法加固产生过大沉降的桥梁结构。

2.2基础加固
基础的常用加固法有：A.扩大基础加固法。

扩大桥梁基础底面积加固方法，称为扩大基础加固法。

此法适用于基础承载力不足或基础埋深太浅，又是砖石或混凝土刚性实体式的情况。

扩大基础底面积应由地基强度验算确定。

当地基强度满足要求而缺陷仅仅表现为不均匀沉降变形过大时，采用扩大基础底面积的方法加固，主要由地基变形计算来加以选定。

B. 增补桩基法(打入桩或钻孔灌注桩) 。

当桥梁墩台基底下有软卧层，墩台发生沉陷，或墩台采用桩基础，而桩的深度不足，或由于水流冲刷等原因发生倾斜，这些病害都直接影响桥梁结构的正常使用和服务年限。

对此，采用增补桩基加固法是一常用而且有效的方法。

这种加固法是在桩式基础的周围补加钻孔桩或打入钢筋混凝土预制桩扩大承台，以此提高基础的承载力，增强基础的稳定性。

C.人工地基加固（改良地基）法等。

2.3桥台加固
桥台新建辅助挡土墙加固法由于桥台台背水平压力过大，引起桥台倾斜，应设法采取平衡桥台后壁土压力的处理方法，在台背之后加建一挡土墙，以抵御过大的压力。

结语
本文对石拱桥的下部结构常见的病害和加固方法进行了分析和总结。

石拱桥下部结构的病害种类较多，且相互关联，在确定实际加固整治方案时，不能机械照搬照用单一治理方法，应根据石拱桥本身结构特点、结构所处环境、及对加固后桥梁的功能要求决定，应真正做到方案择优、综合治理、修饰美化，达到加固补强的目的。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。