浅谈石拱桥病害与维修加固

2017-04-09李智

四川水泥 2017年5期

关键词：石拱桥拱圈桥台

李智

(宜宾市公路局四川宜宾 644000)

浅谈石拱桥病害与维修加固

李智

(宜宾市公路局四川宜宾 644000)

石拱桥在我国的桥梁建筑中极为常见，由于受当时设计、施工技术等条件的限制，整体质量及荷载等级不高，且随着通行车辆轴载重量提高，特别是超载车辆运行，部分桥梁出现病害，因此需对石拱桥进行维修加固处理。本文根据我市近年来先后对二十多座石拱桥进行维修加固所积累的经验，先是对石拱桥中常见的病害和产生的原因进行概述，再详细介绍石拱桥加固改造常用的方法，以使石拱桥加固改造经验得到交流和借鉴。

石拱桥；病害；维修加固

石拱桥是我国传统桥梁的基本类型之一，因跨越能力较大，构造简单，技术容易被掌握，桥型古朴美观，耐久性好，建筑材料能够就地取材，节省大量的钢材和水泥，造价低廉，养护费用少，特别是在我国南方，是上世纪九十年代以前广泛采用建造的主要桥型。我国最早出现且有记录的石拱桥是在公元282年建成的“旅人桥”，现存最早的石拱桥是著名的“赵州桥”，因此石拱桥在我国出现的历史较为悠久。由于受当时技术经济条件限制，目前我国现存的石拱桥荷载等级较低，承载力弱，大都处在超负荷运行状态下；石拱桥本身的恒重已经很高，石拱桥的拱圈在受到强大的压力之后，会产生较大的水平推力，因此对石拱桥的地基、墩台要求更高，我国的石拱桥大多出现病害缺陷，严重影响了道路的畅通，给通行车辆和人员造成了极大的安全威胁。

一、石拱桥中常见的病害及原因分析

1、主拱圈的开裂

（1）主拱圈横向开裂

一般说来，这类病害较为少见，主要是在石拱桥施工的过程中产生的。众所周知，石拱桥拱圈的重要受力特征为受压构件，而横向裂缝产生的条件是拱石受到纵向拉力的作用，但作为受压结构的拱圈几乎不可能受拉，所以横向裂缝一般为施工过程中造成的。在拱圈砌筑时，砌缝砂浆或混凝土未达到一定强度，过早地脱模，引起拱圈下沉，导致砌缝开裂，甚至拱石自身开裂；多层拱石组成的拱圈，在砌筑上层拱石时，第一层拱石砌缝基本已达到强度，如果此时发生支架下沉，也将引起拱腹横向开裂。

如果排除了施工原因引起的横向裂缝，则可从拱圈结构受力方面分析了。常见的基础沉降容易使拱圈产生横向开裂。早期修建的中小跨径石拱桥，由于受施工条件、机具的限制，部分基础未能放置在基岩上，地基承载力不高。施工完成后，地基经过多年的沉降累积，达到一定的沉降量，传递至主拱圈，使拱圈在不同部位受拉，产生变形、开裂。

如果排除了施工原因、基础下沉等引起的拱圈横向开裂，则可判断拱圈受上部结构传来的荷载引起的横向裂缝。这种病害很少见，但一旦发生，则说明此拱圈的承载力严重不足，在重型车辆的作用下发生垮塌的可能性极大，因此存在较大的安全隐患。这种病害产生的原因一般为拱圈强度薄弱，包括拱圈截面较小、砌体强度不高等。当然，这是相对于拱圈上部的荷载而言，譬如现在的超重车辆若作用于早期修建荷载等级较低的石拱桥上，则可能出现这种情况。

此外，如果实际拱轴线严重偏离恒载压力线，使得拱圈内纵向弯矩过大，达到一定的极限值后，使拱圈上缘或下缘受拉，也可导致拱圈横向开裂。

（2）主拱圈纵向开裂

主拱圈纵向开裂的现象比较常见，这是由于砌体材料抗压不抗拉的特性决定的。在进行拱桥设计计算时，一般考虑整个拱圈横截面共同抗压，这对于相对均匀的拱上恒载而言，无疑是正确的；但对于移动荷载、集中荷载而言，则显得理想化了。我们都知道，在进行梁板桥分析时，考虑了横向分布系数的影响，事实上，我们也可以将拱圈纵向分割成几条，每条单独受力。当集中荷载作用于某条上时，它会通过条与条间的相互约束作用横向传递，使得相邻的条共同承担集中力，以至扩展至整个拱圈共同受力。这种约束作用实际为横向拱石间的内力，即剪力和弯矩。约束作用的大小取决于拱圈横向刚度和纵向刚度的比例。一般说来，拱圈的横向刚度均较小，如果其远小于纵向刚度，则横向内力得不到均匀的传递，各条分担的内力差异较大，直接受荷载作用的条所分担的内力最大，最远的条所分担的内力最小。根据应力与应变的等效关系，则前者产生的变形大，后者变形小，两者变形不协调，从而产生纵向裂缝。这种裂缝的发生主要有以下几种可能：（1）拱圈宽跨比较大，即“宽桥”的情况。此时，由于拱圈较宽，横向刚度变得很小，而跨径却不大，纵向刚度很大，根据以上的分析，容易出现纵向裂缝；（2）实腹式拱桥。实腹式拱桥，由于拱圈边缘的侧墙与拱圈联合作用，使其边缘的条纵向刚度较大于中部的条，即使在受力均匀的情况下，也会产生下挠不一致，从而产生纵向裂缝；（3）集中荷载过大，即超限车辆的作用时。此时，由于拱圈的横向剪力传递有限，条与条间的剪力不能完全被传递，直接受作用的条受力过大，相邻的条受力较小，两者变形不一致而产生纵向开裂。

对于以上3种情况，笔者深有体会。（1）两座同样30m跨的空腹式石拱桥，设计参数除宽度不同外，其余基本一致。其中一座宽7.5m，另一座宽16m。经检测发现，宽度为7.5m者，拱腹基本无纵向裂缝，而16m者，拱腹出现较多的裂缝，裂缝一般长几米不等，最大宽度1～2毫米以内。此说明其宽跨比不合理，使其纵向开裂；（2）我市辖区内小跨径的实腹式石拱桥较多，其病害通常为沿拱圈边缘纵向开裂，且裂缝的走向基本与拱上侧墙的坡脚线一致。（3）一般国省道上的大、中跨径石拱桥，拱圈纵向开裂的较多，而县乡道上的石拱桥则出现拱圈开裂的相对较少。其原因为国省道上的重型车辆较多，拱圈在较大的集中荷载频繁作用下开裂。反之，县乡道上的石拱桥则很少出现拱圈开裂现象。

除以上情况外，基础不均匀沉降会引起拱脚段产生纵向裂缝。这类病害在大跨径石拱桥中很少出现，因为早期修建的大跨径石拱桥，在桥位选择时，首先考虑的往往是地质条件较好，所以其基础一般均放置在承载力很高的岩层上，不会出现基础沉降的现象。但也有个别桥梁，基础发生了不均匀沉降，导致拱脚段、桥台前墙出现贯通性裂缝，且裂缝宽度呈下大上小的状态。

2、腹拱圈开裂

腹拱圈开裂的原因与主拱圈基本一致，而且对于以上分析的3种可能情况表现更为突出，所以，腹拱圈更容易出现纵向开裂。在众多的空腹式石拱桥中，主拱圈出现开裂的相对较少，而腹拱圈开裂的则较多，说明了这一现象。

将主拱圈病害产生的以上3种情况，用于分析腹拱圈时，如下：

（1）腹拱圈宽跨比更大，横向刚度太弱，导致腹拱圈承担集中荷载的范围更小，所以出现纵向开裂；（2）腹拱圈拱上侧墙与拱圈形成的联合截面“条”纵向刚度远大于中部“条”的纵向刚度，且车辆荷载较难直接作用于拱圈边缘，造成“边缘刚度大但受力小，中部刚度小而受力大”的现象，所以变形不一致，沿侧墙坡脚产生开裂；（3）由于腹拱圈厚度一般仅30～40厘米，超重车辆的车轮荷载直接作用于腹拱圈时（一般拱上填料不厚），其集中荷载的表现更为显著，所以更容易产生开裂。

此外，由于台后填料不良引起土体膨胀，撕裂前墙后，一并撕裂腹拱圈，也是较为常见的病害。

3、基础病害

石拱桥的墩台基础出现病害，多是由于基础不均匀沉降、地基土软化、淘空，造成墩台出现不均匀的沉降、倾斜等现象；基础不均匀沉降、地基土软化，这类病害常见于较小跨径，一般10米以内的石拱桥。其产生的原因为基础未放置在基岩上，或地基土软化后承载力较弱。这是由于早期修建石拱桥时受施工机具、技术的限制，无法开挖至基岩层，但考虑其跨径不大，将其放置在土层上造成的。

基础淘空这类病害，多由于河道变迁后，水流直接冲刷基础造成。早期修建的桥梁，受经济的约束，一般尽可能的将跨径缩小，使得桥台向主河道靠拢，大大压缩了原始河床断面。在遭遇较大洪水时，水流直接冲刷基脚，将其淘空。如果其基础嵌置在硬质岩层内，则对桥梁影响不大，如果放置在软质岩层，如泥岩，或土层上时，则会危及桥梁的安全。

4、桥台病害

石拱桥桥台内填土一般较高，受U型桥台空间限制，填料不易压实，其压实度往往达不到设计要求。在我们西南地区，很多地方以泥岩为主，其填料也为就近挖填的泥岩，其具有遇水膨胀性。成桥后，由于路面防水较差，雨水下渗，引起台内土体膨胀，产生侧压力导致侧墙外倾、开裂及前墙拉裂等现象。

此外，早期修建的石拱桥，桥台翼墙或台后挡墙，往往疏忽设置泄水孔，导致台内积水，引起填料软化、膨胀等。

5、桥面病害

桥面病害主要表现为路面沉降、混凝土板断裂、车撤、坑凼等。台后及实腹式拱桥路面病害可归结于路基路面病害一类，这里不作讨论。

空腹式石拱桥桥面出现开裂、断板等病害的主要原因为：（1）拱腹填料不良，且无法压实。按照其施工条件，拱腹填料最佳为砂砾石、碎石、片石等，以人工夯实的方式填筑。但在早期修建桥梁时，由于经济的制约，基本无法做到，一般以土填筑；（2）拱顶、横墙处断裂。拱顶处的挠度最大，若桥面混凝土板在此未留变形缝（断缝），板在反复的挠动后断裂，即使是柔性的沥青混凝土路面，也会产生横向裂缝；在横墙处，一般腹孔均留有变形缝或伸缩缝，从下至上一直延伸至桥面，如在桥面未设置断缝，也会出现断板，裂缝呈不规则的状态。

实腹式拱桥的施工过程中，常常使用柔性填料级配砂砾或碎石进行施工，柔性填料在承受车辆荷载作用的同时，会发生不均匀的压缩变形，当台后、拱背排水措施处理不当，甚至无泄水孔，会造成严重的填料积水现象，大大降低填料的强度，从而对石拱桥的桥面造成严重的破坏；台背、拱上填料不符合设计要求、填料质量差、压实度不足，填料下沉会产生桥面沉陷；在石拱桥施工时，对伸缩缝的设置过于简单或位置不当，与桥面变形的要求严重不符，也会对石拱桥桥面造成严重的破坏。

二、石拱桥维修加固常用技术

石拱桥加固主要分为拱圈加固、基础加固、回填料加固等，加固改造方法和技术也非常的多样化。石拱桥桥梁基础出现病害往往引发拱圈产生病害，同样拱圈发生病害后也往往会诱发桥梁基础病害的产生，即一个结构出现病害后，随着时间的推移，会导致桥梁多个结构出现伴生病害或次生病害；因此，拱圈、基础、回填料等加固方式要综合运用，同时进行。石拱桥加固时还应高度重视对原有病害进行处置，尽量通过原拱圈加固前维修以使原桥承载力得到最大限度的恢复。

1、拱圈加固技术

拱圈加固技术主要采用增大拱圈截面尺寸，提高拱圈强度和稳定性，从而提高桥梁承载力来达到加固改造旧石拱桥的目的。

（1）锚喷加固技术

通过对原石拱桥主拱圈植入锚钉进行钢筋网的挂设，再在石拱桥结构表面喷上适量的已经加入了速凝剂的混凝土，从而造就复合主拱圈的存在，将石拱桥结构的尺寸扩大，并与石拱桥改造前的主拱圈进行良好结合，协调着发生变形，将石拱桥部分的荷载力分担过去，从而提高石拱桥承载力。采用石拱桥锚喷加固，施工安全、快速，支架搭设工作量小，喷射的砼（砂浆）与原拱圈牢固结合，可以一定程度封闭裂缝，防止拱圈石料风化，施工时对车辆通行影响小，加固成本低；但承载力提升幅度不大，作业人员对喷射量掌握难度大，导致结构表面凹凸不平，较不美观，材料浪费和对环境影响也较大。锚喷加固技术主要适用于拱圈病害不十分严重，承载能力降低幅度不大，搭设支架困难或工程量大的石拱桥拱圈维修加固。

（2）外套拱圈加固技术

外套拱圈加固技术分为内衬拱圈加固、拱背加固及套箍加固。

内衬拱圈加固：通过对原拱圈裂缝等病害进行灌胶等处理，在原拱腹浇筑高标号砼进行加固，加固时的砼拱圈截面厚度确定需根据原拱圈病害程度实际情况进行调整；为加强新老拱圈紧密结合程度，促进新老拱圈共同受力，提高拱圈强度和整体刚度，浇筑砼前，应在原拱圈石料上垂直钻孔植筋，增设钢筋网，并在原砌缝处造企口缝形成剪力槽。采用内衬拱圈加固，加固拱圈截面厚度基本可以不受空间限制，桥梁承载力提升幅度高，还可以解决拱圈石料风化问题，成桥后结构美观，材料浪费小，对环境影响小，且施工安全，技术成熟，安全隐患消除彻底；但施工速度相对慢，支架搭设工作量大且所用时间较长，施工时对车辆通行影响大，拱顶砼养护困难，加固成本较高。内衬拱圈加固是拱下支架搭设相对容易或实腹式石拱桥通常采用的加固方式。

拱背加固：通过在拱背增设砼拱圈增大截面，以提高拱圈承载能力；为把老石料与新浇筑砼结合成整体，一般在原拱背石料上钻孔植筋处理，以加强新老拱圈紧密结合程度，促进共同受力；砼拱圈截面厚度及钢筋网设置确定需根据原拱圈病害程度实际情况进行调整。成桥后结构美观，材料浪费小，对环境影响小，且施工安全，技术成熟；与内衬拱圈加固比较，支架搭设量小，施工速度相对快，对行车影响也相对小，成本相对较低；但加固拱圈截面厚度易受限制，实腹段拱顶位置加固处治困难，承载力提升幅度不大。拱背加固对跨径相对较大，拱下支架搭设困难，拱顶病害较少，无需提高荷载等级的石拱桥效果尤为明显。

套箍加固：通过在石拱桥原拱圈拱背和拱腹分别增设钢筋砼拱圈增大截面，以提高拱圈承载能力，拱背和拱腹砼拱圈截面厚度及钢筋网设置确定需根据原拱圈病害程度实际情况进行调整；为把老石料与新浇筑砼结合成整体，在原拱背和拱腹石料上钻孔植筋处理，以加强新老拱圈紧密结合程度，促进共同受力。在原拱圈拱背、拱腹同时增设钢筋砼拱圈增大截面，能大幅度提升桥梁承载力，拱脚对拉应力的结构抗力得到增强，成桥后结构美观，材料浪费小，对环境影响小，且施工安全，技术成熟；但施工速度相对慢，对行车影响大，成本高，拱腹需进行后期灌缝，且不宜采用满布式支架，宜采用挂模施工方式。主要对较为严重或特别严重、承载能力降低幅度较大，或需提高荷载等级，单靠拱背加固因受厚度限制达不到荷载等级规定要求，且拱下支架搭设困难，跨径相对较大，基础埋深不大、基底承载力较高时适用。

无论采用内衬拱圈加固、拱背加固还是套箍加固，在加大石拱桥拱圈截面后，原拱圈结构会与增大截面的结构共同组合变成一个叠合构件，原结构能够承担二次分配受力，石拱桥上部的结构所承担的恒载力会增加；但增大拱圈截面后，上部结构恒载也会相应增大，会大大影响石拱桥的基础承载力。因此，进行内衬拱圈加固、拱背加固或套箍加固处置时的石拱桥，一般均需对石拱桥基础进行配套的加固处理。

（3）减轻石拱桥拱上建筑恒载的技术

石拱桥大部分都是以腹拱式的拱上建筑为主的形式，拱上建筑恒载往往都较大，因公路改造标高提升或路面加铺等，桥面高程逐步提高，恒载越来越大。减小拱上填料厚度，从而减轻恒载，达到增加拱圈承担活载的能力，这是对石拱桥进行提高荷载加固改造有效的方法。

2、基础加固技术

基础被冲刷淘空的病害，一般采取浇筑混凝土包裹原基础、抛石护基等，治理较为方便。

基础发生不均匀沉降，一般出现在小跨径石拱桥，其地基为土基，本身对地基承载力要求不高，此时，可采取压浆对地基进行加固。在原桥基础的周边钻孔，以水泥砂浆或净水泥浆，以一定的压力压入注浆孔内，扩散至周围土体，从而固结土体，提高了承载力。浆液的水灰比及压力视地基土质情况确定，可通过现场试验确定。

大跨径的石拱桥，其地基承载力要求较高，一般已经放置在岩层上。一旦出现沉降，其加固较为困难，几乎无法加固或加固后不能达到理想的效果。此时，可从上部结构着手，减轻荷载，降低地基承载力要求，从而达到加固的效果。

石拱桥基础结构病害产生与拱圈裂缝、地基不均匀沉降、回填料差、墙台体自身抗力不足密切相关，基础加固技术主要有增大基础断面加固、对拉锚杆加固、桩基础加固等。

石拱桥基础结构病害产生由墙台体自身抗力不足或回填料差引起，在地质条件允许情况下，对桥梁前墙、侧墙进行砼或钢筋砼外挡或环箍，增大基础结构断面，提高结构抗力；为提高原桥台与新浇筑砼紧密结合程度，确保新旧结构共同受力，宜对原桥台进行植筋处理。病害产生由墙台体地基不均匀沉降引起，可对桥台、桥墩基础周边或襟边下侧进行挖孔或钻孔，浇筑钢筋砼桩基础，再对原桥台、桥墩进行植筋处理，浇筑桩基承台包裹植入钢筋的原桥墩、台，使基础部分荷载由桩基分散传递到硬质岩层上，有效提高基础承载力、防治不均匀沉降。桥台结构自身强度足够，病害由拱圈裂缝诱发或回填料差，导致侧墙整体外倾，宜使用对拉锚杆处治，即在桥台侧墙单侧水平对穿钻孔，孔内设置抗拉能力较强的钢筋后，压浆封闭；为提高侧墙对土压力的抗力，在侧墙上采用钢筋砼锚头或框架梁将对拉钢筋锚固，达到增加侧墙抗填土压力的效果。

3、回填料加固技术

石拱桥拱上及三背回填填料要求采用级配碎石或级配砂砾等技术性能较好的材料，施工中往往回填料物理性能和级配、透水性较差，达不到设计压实、透水要求，导致出现桥台及侧墙出现裂缝、鼓胀、倾斜等病害。针对回填料引发的病害，一般采用换填或压浆进行加固处理。

石拱桥拱上及三背回填填料较差，若桥台高度不大，可直接挖除拱上或三背回填填料，采用物理性能和级配较好的透水性材料或铺筑低标号砼进行回填，以消除填料对桥台、侧墙的侧向压力；若桥台高度高，直接挖除三背回填填料显得困难或安全得不到保证、长时间封闭交通、工期长等，则宜采用对台背土体进行钻孔，必要时设置压浆导管，压水泥净浆或粉煤灰水泥、水泥砂浆，改善填料物理性能以缓减填料对桥台、侧墙的土压力，达到加固的目的。

4、桥面整治技术

桥面病害整治可结合腹拱圈加固一并进行，将原拱上填料挖除后，再以低标号混凝土回填，再作桥面。在腹拱圈为三铰拱、两铰拱的铰处，设变形缝、伸缩缝，在主拱圈拱顶处，设断缝。缝口从拱背起，直至桥面顶面贯通设置，让其变形不受约束。