CN108193606A - 一种桥墩局部冲刷的防护方法 - Google Patents

一种桥墩局部冲刷的防护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种桥墩局部冲刷的防护方法，属于桥梁加固技术领域。其包括如下步骤：步骤1：确定待加固桥墩的加固区域；步骤2：确定待加固桥墩的加固深度；步骤3：注浆加固。本发明的防护方法，对桥墩局部冲刷的加固效果良好，加固后耐久性好，后期养护费用少，可以实现一次加固，终生不用加固。

Description

一种桥墩局部冲刷的防护方法
技术领域
本发明涉及一种桥墩局部冲刷的防护方法，属于桥梁加固技术领域。
背景技术
桥墩阻挡水流，水流在桥墩两侧绕流，形成十分复杂的、以绕流旋涡体系为主的绕流结构，床面附近的旋涡剧烈淘刷桥墩迎水端和周围的泥沙，引起桥墩周围急剧的泥沙运动，形成桥墩周围局部冲刷坑，称为桥墩的局部冲刷。局部冲刷是一种自然现象，会降低基础的承载能力和桥墩的稳定性。尤其对于浅基础桥梁，当局部冲刷坑深度超过基础埋深时，还可能导致桥梁的破坏。一般基础埋深小于5m，只需经过开挖、排水就可完成的基础，称之为浅基础。我国早期修建的桥梁，因施工机械、工艺方面限制，许多桥梁均采用浅基础。
在美国，1985年在宾西法泥亚等州，洪水冲毁了73座桥[1]。1987年洪水冲毁纽约州肖赫里河桥，4辆客车落入河中，造成10人死亡[2]。1989-2000年，总共有266座桥梁的垮塌与水力因素有关，其中78座桥就是局部冲刷引起的[3]。2015年，桂林市孟家村大桥在洪水中垮塌，也是由于局部冲刷深度达到基础埋深，引起桥墩倾覆，从而导致垮塌。
对桥墩的局部冲刷进行防护是桥梁防护的重要内容之一。桥墩的局部冲刷防护原理包括以下两点:一是提高桥墩附近河床的防冲刷能力。通常是在桥墩附近铺设粗颗粒材料的河床防护层或在墩基处抛石，以提高桥墩的抗冲能力，其缺陷是在洪水流速特大的山区河流效果一般，需要每隔几年重新加固,耗费大量的人力物力和财力。二是减小水流对桥墩的冲刷能量，即减弱水流冲刷过程中的下冲流和马蹄形漩涡流，通常是通过扩大桥墩的基础平面或增设护脚等措施以减小水流的冲刷能量，其缺陷是增大了桥墩阻水面积，增加了基础投资。
由此可见，现有技术的浅基桥墩局部冲刷的防护方法投资较大，容易损坏，每隔几年就要对防护设施进行维修，造成大量的人力、物力和财力的浪费。
鉴于此，有必要研发一种新的浅基桥墩局部冲刷的防护方法，以解决现有技术的不足。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种桥墩局部冲刷的防护方法。本发明的防护方法，对桥墩局部冲刷的加固效果美观，加固后耐久性好，后期养护费用少，可以实现一次加固，终生不用加固。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种桥墩局部冲刷的防护方法，包括如下步骤：
步骤1：确定待加固桥墩外周侧的加固区域
加固区域的外侧边缘线与待加固桥墩墩身的外轮廓线的距离为L；
当河床泥沙平均粒径d≥0.01m时，
L＝0.40Kζh0.29B1 0.53d-0.13v0.61；
当床沙泥沙平均粒径d<0.01m时，
L＝0.48Kζh0.29B1 0.53d-0.13v0.61；
其中，L为加固区域的外侧边缘线与待加固桥墩墩身的外轮廓线的距离,m；Kζ为桥墩的墩形系数；h为墩前行进水深，m；B1为桥墩计算宽度，m；d为河床泥沙平均粒径，m；v为墩前水的平均流速，m/s；
步骤2：确定待加固桥墩的加固深度H
H＝0.36Kζh0.29B1 0.53d-0.13v0.61，
其中，H为加固深度，m；Kζ为桥墩的墩形系数；h为墩前行进水深，m；B1为桥墩计算宽度，m；d为河床泥沙平均粒径，m；v为墩前水的平均流速，m/s；
步骤3：注浆加固
在步骤1确定的待加固桥墩的加固区域内，按照步骤2确定的待加固桥墩的加固深度H，进行注浆加固。
本发明的原理：在待加固桥墩周围的泥沙颗粒间注浆，注浆填充泥沙颗粒间隙，注浆硬化后，将泥沙颗粒固结为一个整体，提高了待加固桥墩的抗洪水冲刷能力。
本发明的防护方法，对桥墩局部冲刷的加固效果良好，加固后耐久性好，后期养护费用少，可以实现一次加固，终生不用加固。本发明的方法适用于桥墩的局部冲刷加固，尤其适用于基础埋深小于5m的浅基础桥墩的局部冲刷加固。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，步骤1中，当所述待加固桥墩墩身为矩形截面桥墩墩身且所述待加固桥墩基础为矩形截面扩大基础时，所述加固区域为与所述矩形截面桥墩墩身同心的方环形，所述L为所述方环形外环边长和所述矩形截面桥墩墩身边长之差的1/2。
进一步，步骤1中，当所述待加固桥墩墩身为圆形截面桥墩墩身且待加固桥墩基础为圆形截面桩基础时，所述加固区域为与所述圆形截面桥墩墩身同心的圆环形，所述L为所述圆环形外环直径和与之相邻的内环边长之差的1/2。
进一步，步骤1和步骤2所述Kζ和B1均根据《公路工程水文勘测设计规范(JTG C30-2015)》附录C计算。
进一步，步骤3中，所述注浆加固的方法为高压旋喷注浆法或者袖阀管注浆法。
采用上述进一步的有益效果是：根据桥墩处河床床砂性质选择注浆方法，当河床泥沙为粘性土、黄土、沙土、人工填土和砾石，且不夹有较多的大粒径块石、漂石，采用高压旋喷注浆法。当河床泥沙为卵石、漂石或夹有较多的大粒径块石、漂石，采用袖阀管注浆法，当河床地下水流速较快时，也采用袖阀管注浆法。
高压旋喷注浆法，是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层预定深度H后，以一定的压力把浆液或水从喷嘴中喷射出来，形成喷射流冲击破坏土层。当能量大、速度快和动脉状的射流动压大于土层结构强度时，土颗粒便从土层中剥落下来。一部分细颗粒随浆液或水冒出地面，其余土粒在射流的冲击力、离心力和重力等力的作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例和质量大小，有规律的重新排列，浆液凝固后，便在土层中形成一个固结体。
袖阀管注浆法，属于静力压浆的一种，就是利用钻机把注浆管钻进至土层预定深度后，浆液经过注浆泵加压后，通过连通管进入注浆管，聚集到袖阀管注浆管段，然后通过钻有泄浆孔的PVC管(即袖阀管)，在内压力的作用下，将包裹在PVC外的橡胶圈胀开和套壳料挤碎。当压力逐渐增大到一定程度，被加压的浆液就会沿着地层结构产生充填、渗透、压密、劈裂流动，此时由于供浆量小于进入量，压力会自动回复到平衡状态，续后的浆液在压力作用下，使得劈裂裂缝不断向外延伸，浆液在土体中形成固结体，从而达到增加地层强度。
更进一步，所述高压旋喷注浆法采用的浆液为水泥浆，注浆压力为25MPa-30MPa，所述水泥浆中水和水泥的重量比为1:1。
更进一步，所述袖阀管注浆法采用的浆液为水泥浆与水玻璃的混合液，注浆压力为2.5MPa-3MPa，所述混合液中水泥浆与水玻璃的重量比为1:1，所述水泥浆中水和水泥的重量比为1:1。
本发明的有益效果：
(1)本发明的防护方法，对桥墩局部冲刷的加固效果美观，加固后耐久性好，后期养护费用少，可以实现一次加固，终生不用加固。
(2)本发明的方法适用于桥墩的局部冲刷加固，尤其适用于基础埋深小于5m的浅基础桥墩的局部冲刷加固。
(3)本发明的防护方法，易于操作，成本低，工期短，市场前景广阔，适于推广应用。
附图说明
图1为本发明实施例1的矩形截面桥墩加固的立体结构图。
图2为图1的俯视图。
图3为本发明实施例2的双柱式圆形截面桥墩加固的立体结构图。
图4为图3的俯视图。
图5为本发明实施例3的圆形截面桥墩加固的立体结构图。
图6为图5的俯视图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、天然河床面；2、矩形截面桥墩墩身；3、扩大基础；4、加固区域；5、圆形截面桥墩墩身；6、桩基础；7、矩形截面桥墩墩身或圆形截面桥墩墩身的外轮廓线，8、桩基础或扩大基础的外轮廓线，9、加固区域的外侧边缘线。
具体实施方式
以下结合具体附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1：
如图1-2所示，本实施例以桂林市灌阳县洞井乡桂平岩大桥为例。桂平岩大桥位于山区，建于1985年，为当地村民集资修建。该桥的桥墩采用矩形截面桥墩墩身2，矩形截面桥墩墩身2的基础采用扩大基础3。受限于当时的施工水平，扩大基础3的基础埋深较浅，为2.5m,河床泥沙以卵砾石为主，汛期洪水暴涨暴落，冲刷力极强。2015年检查发现桥墩的局部冲刷深度，为2.8m,超过扩大基础3的基底埋深(2.5m)，扩大基础3出现不均匀下沉，导致桥梁的主拱圈开裂，成为危桥。
为保证桥梁在重建前不至垮塌，先用挖掘机填平桥墩冲刷的局部冲刷坑至天然河床面1，以恢复扩大基础3附近的河床原状。
本实施例的浅基桥墩局部冲刷的防护方法，包括如下步骤：
步骤1：确定待加固桥墩的加固区域4
待加固桥墩为矩形截面桥墩墩身2，加固区域4为与矩形截面桥墩墩身2同心的方环形，L为方环形外环边长和与之相邻的矩形截面桥墩墩身2内环边长之差的1/2。
加固区域的外侧边缘线9与待加固桥墩的外轮廓线8的距离为L，
L＝0.40Kζh0.29B1 0.53d-0.13v0.61。
其中，Kζ为桥墩的墩形系数，根据《公路工程水文勘测设计规范(JTG C30-2015)》附录C计算，矩形截面桥墩的墩形系数为1.18，h为墩前行进水深，为3.0m；B1为桥墩计算宽度，根据《公路工程水文勘测设计规范(JTG C30-2015)》附录C计算，B1为2.26m；d为河床泥沙平均粒径，为0.150m；v为墩前水的平均流速，为4.20m/s。
计算得到加固区域的外侧边缘线9与待加固桥墩的外轮廓线8的距离为L为3.07m。
步骤2：确定待加固桥墩的加固深度H
H＝0.36Kζh0.29B1 0.53d-0.13v0.61，
其中，Kζ为桥墩的墩形系数，根据《公路工程水文勘测设计规范(JTG C30-2015)》附录C计算，矩形截面桥墩的墩形系数为1.18，h为墩前行进水深，为3.0m；B1为桥墩计算宽度，根据《公路工程水文勘测设计规范(JTG C30-2015)》附录C计算，B1为2.26m；d为河床泥沙平均粒径，为0.150m；v为墩前水的平均流速，为4.20m/s。
计算得到加固深度H为2.76m。
步骤3：注浆加固
在步骤1确定的待加固桥墩的加固区域4内，按照步骤2确定的待加固桥墩的加固深度H，进行注浆加固。具体是：从桩基础或扩大基础的外轮廓线8开始，在距离矩形截面桥墩墩身2周围3.07±0.05m范围内钻孔，钻孔深度为2.76±0.05m,钻孔间距为0.5m，采用袖阀管注浆法注入浆液，浆液选择水泥浆与水玻璃的混合液，注浆压力为3MPa，所述混合液中水泥浆与水玻璃的重量比为1:1，所述水泥浆中水和水泥的重量比为1:1。
2017年7月2日，桂平岩大桥所在流域发生50年一遇的特大洪水。洪水后调查发现加固效果完好，没有出现局部冲刷坑。
实施例2：
如图3-4所示，本实施例以位于广西合浦县的某桥为例。该桥建于2003年，该桥的桥墩采用双柱式桥墩，圆形截面桥墩墩身5，圆形截面桥墩墩身5的基础采用桩基础6。桩基础6的直径为1.5m，双柱式桥墩的圆形截面桥墩墩身5的间距为6m，河床泥沙以粗砂为主，河床平均泥沙粒径0.0025m。由于近年来受挖沙和洪水影响，桥墩出现严重局部冲刷，局部冲刷的深度达到2.0m深。
为保证桥梁安全，先用挖掘机填平桥墩冲刷的局部冲刷坑至天然河床面1，以恢复桩基础6附近的河床原状。
本实施例的浅基桥墩局部冲刷的防护方法，包括如下步骤：
步骤1：确定待加固桥墩的加固区域4
待加固桥墩为圆形截面桥墩墩身5，加固区域4有两部分，均为分别与两个圆形截面桥墩墩身5同心的圆环形，L为圆环形外环直径和圆形截面桥墩墩身5直径之差的1/2。
加固区域的外侧边缘线9与待加固桥墩的外轮廓线8的距离为L，
L＝0.48Kζh0.29B1 0.53d-0.13v0.61。
其中，Kζ为桥墩的墩形系数，根据《公路工程水文勘测设计规范(JTG C30-2015)》附录C计算，圆形截面桥墩墩身的墩形系数为1.0，h为墩前行进水深，为6.0m；B1为桥墩计算宽度，根据《公路工程水文勘测设计规范(JTG C30-2015)》附录C计算，B1为1.5m；d为河床泥沙平均粒径，为0.0025m；v为墩前水的平均流速，为1.80m/s。
计算得到加固区域的外侧边缘线9与桩基础或扩大基础的外轮廓线8的距离L为3.12m。
步骤2：确定待加固桥墩的加固深度H
H＝0.36Kζh0.29B1 0.53d-0.13v0.61，
其中，Kζ为桥墩的墩形系数，根据《公路工程水文勘测设计规范(JTG C30-2015)》附录C计算，圆形截面桥墩墩身的墩形系数为1.0，h为墩前行进水深，为6.0m；B1为桥墩计算宽度，根据《公路工程水文勘测设计规范(JTG C30-2015)》附录C计算，B1为1.5m；d为河床泥沙平均粒径，为0.025m；v为墩前水的平均流速，为1.80m/s。
计算得到加固深度H为2.34m。
步骤3：注浆加固
在步骤1确定的待加固桥墩的加固区域4内，按照步骤2确定的待加固桥墩的加固深度H，进行注浆加固。具体是：从桩基础6的外轮廓线8开始，在距离圆形截面桥墩墩身5周围3.12±0.05m范围内钻孔，钻孔深度H为2.34±0.05m,钻孔间距为0.5m，采用高压旋喷注浆法注入浆液，浆液选择水泥浆，注浆压力为26MPa，所述水泥浆中水和水泥的重量比为1:1。
加固后，在该桥梁的定期检测中,洪水后调查发现加固效果完好，没有出现局部冲刷坑。
实施例3：
如图5-6所示，本实施例以广西贺州市某桥为例。该桥建于1988年，该桥的桥墩采用独柱式圆形截面墩身5，圆形截面墩身5的基础采用扩大基础3，圆形截面墩身5的直径为2.5m，河床以粗砂、砾石为主，并夹有卵石。受洪水影响，桥墩出现严重局部冲刷，2012年检测时，最大局部冲刷深度达到3m之深。
为保证桥梁安全，先用挖掘机填平桥墩冲刷的局部冲刷坑至天然河床面1，以恢复扩大基础3附近的河床原状。
本实施例的浅基桥墩局部冲刷的防护方法，包括如下步骤：
步骤1：确定待加固桥墩的加固区域4
待加固桥墩为圆形截面桥墩墩身5，加固区域4为与所述圆形截面桥墩墩身5同心的圆环形扣除扩大基础面积，L为所述圆环形外环直径和圆形截面桥墩墩身5之差直径的1/2。
加固区域的外侧边缘线9与待加固桥墩的外轮廓线8的距离为L，
L＝0.40Kζh0.29B1 0.53d-0.13v0.61。
其中，Kζ为桥墩的墩形系数，根据《公路工程水文勘测设计规范(JTG C30-2015)》附录C计算，圆形截面桥墩墩身的墩形系数为1.0，h为墩前行进水深，为6.5m；B1为桥墩计算宽度，根据《公路工程水文勘测设计规范(JTG C30-2015)》附录C计算，B1为2.5m；d为河床泥沙平均粒径，为0.06m；v为墩前水的平均流速，为3.48m/s。
计算得到加固区域4的外侧边缘线9与扩大基础3的外轮廓线8的距离L为1.73m。
步骤2：确定待加固桥墩的加固深度H
H＝0.36Kζh0.29B1 0.53d-0.13v0.61，
其中，Kζ为桥墩的墩形系数，根据《公路工程水文勘测设计规范(JTG C30-2015)》附录C计算，圆形截面桥墩墩身的墩形系数为1.0，h为墩前行进水深，为6.5m；B1为桥墩计算宽度，根据《公路工程水文勘测设计规范(JTG C30-2015)》附录C计算，B1为2.5m；d为河床泥沙平均粒径，为0.06m；v为墩前水的平均流速，为3.48m/s。
计算得到加固深度H为3.21m。
步骤3：注浆加固
在步骤1确定的待加固桥墩的加固区域内，按照步骤2确定的待加固桥墩的加固深度H，进行注浆加固。具体是：从扩大基础3的外边缘开始，在距离圆形截面桥墩墩身5的外轮廓线7周围1.73±0.05m范围内钻孔，钻孔深度H为3.21±0.05m,钻孔间距为0.5m，采用袖阀管注浆法注入浆液，浆液选择水泥浆与水玻璃的混合液，注浆压力为2.5MPa，所述混合液中水泥浆与水玻璃的重量比为1:1，所述水泥浆中水和水泥的重量比为1:1。
加固后，在该桥梁的定期检测中，发现加固效果完好，没有出现局部冲刷坑。
由此可见，本发明的防护方法，对桥墩局部冲刷的加固效果美观，加固后耐久性好，后期养护费用少，可以实现一次加固，终生不用加固。
参考文献：
[1].Jeckson L E，etc.Hatche River and Schoharie Greek BridgeFailures.Hydraulic Engineering,ASCE,1991.
[2].Department of Civil Engineering Environmental Fluids/WindGroup.Neural Network assessment for scour depth around bridge piers.ResearchReport No R855D-S Jeng,BE ME Ph D S.M.Bateni,BE ME E.Lockett,BE November2005.
[3].Wardhana K,HadiprionoF C.Analysis of Recent Bridge Failures inthe United States.Journal of Performance of Constructed Facilities,2003,17(3)
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种桥墩局部冲刷的防护方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：确定待加固桥墩外周侧的加固区域
加固区域的外侧边缘线与待加固桥墩墩身的外轮廓线的距离为L；
当河床泥沙平均粒径d≥0.01m时，
L＝0.40Kζh0.29B1 0.53d-0.13v0.61；
当床沙泥沙平均粒径d<0.01m时，
L＝0.48Kζh0.29B1 0.53d-0.13v0.61；
其中，L为加固区域的外侧边缘线与待加固桥墩墩身的外轮廓线的距离,m；Kζ为桥墩的墩形系数；h为墩前行进水深，m；B1为桥墩计算宽度，m；d为河床泥沙平均粒径，m；v为墩前水的平均流速，m/s；
步骤2：确定待加固桥墩的加固深度H
H＝0.36Kζh0.29B1 0.53d-0.13v0.61，
其中，H为加固深度，m；Kζ为桥墩的墩形系数；h为墩前行进水深，m；B1为桥墩计算宽度，m；d为河床泥沙平均粒径，m；v为墩前水的平均流速，m/s；
步骤3：注浆加固
在步骤1确定的待加固桥墩的加固区域内，按照步骤2确定的待加固桥墩的加固深度H，进行注浆加固。
2.根据权利要求1所述的一种桥墩局部冲刷的防护方法，其特征在于，当所述待加固桥墩为矩形截面桥墩墩身且基础为矩形截面扩大基础时，所述加固区域为与所述矩形截面桥墩墩身同心的方环形，所述L为所述方环形外环边长和与之相邻的桥墩墩身边长之差的1/2。
3.根据权利要求1所述的一种桥墩局部冲刷的防护方法，其特征在于，当所述待加固桥墩为圆形截面墩身且基础为圆形截面桩基础时，所述加固区域为与所述圆形截面桥墩墩身同心的圆环形，所述L为所述圆环形外环直径和与之相邻的内环直径之差的1/2。
4.根据权利要求1所述的一种桥墩局部冲刷的防护方法，其特征在于，步骤3中，所述注浆加固的方法为高压旋喷注浆法或者袖阀管注浆法。
5.根据权利要求4所述的一种桥墩局部冲刷的防护方法，其特征在于，所述高压旋喷注浆法采用的浆液为水泥浆，注浆压力为25MPa-30MPa，所述水泥浆中水和水泥的重量比为1:1。
6.根据权利要求4所述的一种桥墩局部冲刷的防护方法，其特征在于，所述袖阀管注浆法采用的浆液为水泥浆与水玻璃的混合液，注浆压力为2.5MPa-3MPa，所述混合液中水泥浆与水玻璃的重量比为1:1，所述水泥浆中水和水泥的重量比为1:1。
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