CN110485313A - 桥墩流空区加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥墩流空区加固方法，包括如下步骤：步骤1）：确定桥墩流空区范围，打设连续钢板桩将流空区围起；步骤2）：确定冲刷深度，流空区回填砂土，使其恢复至比原河床高度略高；步骤3）：流空区打振冲高压注浆桩群；步骤4）：拔除钢板桩。本发明确定带加固桥墩的加固范围，在待加固区域打设钢板桩阻挡水流作用后进行砂土回填，然后加固区内打入振冲高压注浆桩用于固结流空区内土体，该桩桩身能够与土体组成复合地基，使回填土具有较高的抗流冲刷能力，有效避免流空区的再次形成，极大地提高了流空区土体基础的整体强度，注浆桩凝固后也能够上影响水流特性，能够降低水流对桥墩的冲刷作用，极大的提高了桥墩的承载力及抗洪冲刷能力。

Description

桥墩流空区加固方法

技术领域

本发明涉及一种桥梁加固技术，尤其是一种桥墩留空区加固方法。

背景技术

桥墩流空区也指桥墩冲刷区，是由于桥墩的阻碍，水流在桥墩周围产生强烈涡流而引起的冲刷。冲刷是水流从河床、堤岸、桥梁墩台和基础等构筑物周围淘掘并带走泥沙及其他物质的过程。在水流作用下，基础周围形成流空区，尤其在洪水或放闸的情况下会加剧这种过程。长此以往，会对基础承载力造成大幅减弱。世界各国的建桥经验表明,水流对桥墩的局部冲刷是导致桥梁破坏的重要原因。

目前桥墩冲刷防护措施大体分为主动防护和被动防护。主动防护即在河床附近高程附近增设护圈或底板，通过减少冲刷水流的原动力来提高抗冲刷性能，但此类方法会增加桥墩的阻水面积，且基础投资大。被动防护从冲刷对象着手，在桥墩周围河床铺设诸如碎石等保护层。现在普遍采用传统的抛石法对桥墩流空区防护，其特点在于取材方便，工艺简单，操作实施灵活性大，但存在无法根治局部冲刷及提高桥墩承载力的情况，而且当缺少抛石的材料或石材粒径不能满足要求时及有美观要求的地区不宜使用。基于以上背景本文提出一种桥墩流空区加固方法。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种桥墩流空区加固方法，采用该方法在修复流空区的同时能够提高桥墩基础承载力，该方法具有施工快捷方便，设计合理，加固性能良好，适用性广泛的特点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种桥墩流空区加固方法，包括以下步骤：

1).确定桥墩流空区范围，在所需要修复的桥墩周围打设连续钢板桩；假定流空区的轮廓线与桥墩桥身的轮廓线距离为s，当d≥0.01时，s＝0.4k_ξh^0.29B₁ ^0.53d^-0.13v^0.61；当d<0.01时，s＝0.48k_ξh^0.29B₁ ^0.53d^-0.13v^0.61。其中k_ξ为桥墩的墩形系数，h为墩前水深，B₁为桥墩宽度，v为墩前流速，d为泥沙粒径；

钢板桩的范围需涵盖冲刷范围，结构左右对称，迎水面中间向上游突出，中间为尖头，向两侧逐渐扩大；两侧钢板板互相平行，与水流方向一致，下游处无需打设钢板桩；

2).确定流空区冲刷深度h，流空区回填砂土；当v≤v₀时，h＝k_ξk_ηB₁ ^0.6(v-v′₀)；当v>v₀时，其中k_ξ为桥墩墩形系数，v为冲刷后垂线平均流速，v₀为床沙起动流速，v₀'为始冲流速，B₁为桥墩宽度，d为泥沙粒径，确定冲刷深度后回填砂土厚度为冲刷深度的105％-130％；

3).在回填好的流空区内打入振冲高压注浆桩群，桩与桩之间的位置分布按梅花桩形状分布，桩群的范围与钢板桩范围一致；

4).在注浆桩达性质稳定后，拆除钢板桩。

所述钢板桩打设为保证打设精度采用屏风式打入法，即将10-20根钢板桩成排插入导架内，呈屏风状，然后再分批施打，在打设钢板桩前，因先在钢板桩的锁口内涂抹防水材料。然后用吊车将钢板桩吊至插桩点处进行插桩，插桩时锁口要对准，每插入一块即套上桩帽轻轻锤击。在打桩过程中，为保证垂直度，用两台经纬仪在两个方向加以控制。为防止锁口中心平面位移，在打桩进行方向的钢板桩锁口处设卡板，阻止板桩位移。同时在围檩上预先算出每块板块的位置，以便随时检查校正。

所述回填砂土尽量选取与原河床质地及粒径相似的砂土，或直接从下游砂土较多的河床上挖起进行回填。

所述振冲高压注浆法可在有水情况下施工，该法利用振冲器向下冲击时，同时通过振冲器内含的高压注浆管向冲击区域注入水泥浆，在振冲器的挤压下，水泥浆向四周扩散，在挤压振密软土的同时挤出孔隙水，同时砂土颗粒在振冲器振动作用下重新排列组合，变得更加密实。当振冲器下降至预设深度，开始上拔而注浆不停，其底部向上抽吸，形成孔内负压，孔隙周围松散的土体在负压作用下向里垮塌，振冲器每上拔一段距离，则留振一段时间，使下面的土体与浆液充分挤密混合，然后继续上拔，直至振冲器脱离土层，此时的水泥浆与垮塌的土体在振动作用下密实并充分混合而形成桩身，桩身与土体组成复合地基，极大地提高了土体基础的整体强度。

所述桩群中间向上游突出，逐渐向两边扩大，类似一个“箭头”，在能够影响水流特性的情况下，经济性得到保障。

所述振冲注浆桩凝固以后拔除钢板桩，注浆桩桩头会冲起少量沙土，形成挡水桩，从而影响流水的水流特性，对流经挡水桩的水流进行消能，大幅度降低水流的冲击力，起到保护桥墩的作用。

所述振冲注浆桩的预设深度应低于冲刷坑最低点以下。

所述振冲高压注浆法所采用的初始水泥浆中水与水泥质量比为0.3-1.5，再添加占水泥质量比为1％-50％的水玻璃，再加入中加入占初始水泥浆液的质量比为0.1％-5％的聚丙乙烯纤维，可使混凝土的抗压强度大幅提高，同时加入占初始水泥浆液质量比为5％-20％的粉煤灰或矿渣，可以有效提高混凝土的抗渗、耐蚀、抗碳化、抗溶析能力,抑制了碱骨料反应。

所述步骤4)拔除钢板桩时，如钢板桩在相邻两桥墩中间，可以预先保留这一段钢板桩，便于下个桥墩施工时，下个桥墩钢板桩可直接连接在预留的钢板桩上，能够省时、省力。

本发明的原理：确定带加固桥墩的加固范围，在待加固区域打设钢板桩阻挡水流作用后进行砂土回填，然后加固区内打入振冲高压注浆桩用于固结流空区内土体，该桩桩身能够与土体组成复合地基，使回填土具有较高的抗流冲刷能力，有效避免流空区的再次形成，极大地提高了流空区土体基础的整体强度，注浆桩凝固后也能够上影响水流特性，有效减少桥墩周围土体流失，并能减轻水流对桥墩的冲刷作用，极大的提高了桥墩的承载力及抗洪冲刷能力，从而对桥墩起到保护作用。

本发明的有益效果：

1.钢板桩挡水性能好；能按需要组成各种外形的围堰，施工比较方便，并可多次重复使用。且钢板桩下游无需封口，利于施工器械进出，能减少钢板桩用量。

2.本发明可在有水条件下进行施工，无需抽水处理，钢板桩内外水压力相抵消，有效的避免了钢板桩漏水及水压过大导致钢板桩倾覆问题。

3.修复桥墩流空区，恢复桥墩的承载能力，在流空区进行加固处理，防止流空区的再次形成，能够提高桥墩的承载能力和稳定性安全性。

4.本发明适用范围广，成本低，加固后耐久性好且无需后期维护费用，具有广泛的市场前景

附图说明

图1为打设钢板桩俯视图

图2为流空区填砂正视图

图3为打振冲注浆桩俯视图

图4为拆除钢板桩俯视图

图5为施工完成后效果图

图中：1桥墩、2钢板桩、3回填砂土、4打注浆桩、5拆除钢板桩、6河面、7原河床、8现河床、9注浆桩。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-图5所示，一种应用于桥墩流空区加固方法，包括以下步骤：

1)确定桥墩1流空区范围，在流空区周围打设连续钢板桩2

确定流空区的最大冲刷范围s。当d≥0.01时，s＝0.4k_ξh^0.29B₁ ^0.53d^-0.13v^0.61；当d<0.01时，s＝0.48k_ξh^0.29B₁ ^0.53d^-0.13v^0.61。其中k_ξ为桥墩1的墩形系数，h为墩前水深，B₁为桥墩宽度，v为墩前流速，d为泥沙粒径。

k_ξ为桥墩1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；墩前水深及桥墩宽度可根据现场实际情况进行测量；墩前流速v可由便携式流速仪进行测量；泥沙粒径需在桥墩附近进行泥沙采样，测量并计算出泥沙的平均粒径。以最大冲刷范围s作为加固范围。

依据上述方法确定最大加固范围后，开始打设钢板桩2。所需加固范围略大于冲刷范围，以此距离为基础确定钢板桩2至桥墩表面的距离。钢板桩2可以将上游水流挡住，显露出施工范围，创造有利的施工条件。钢板桩2的下游留开口用于船只进出。如图1所示钢板桩2为左右对称结构，迎水面钢板桩2向上游突出，中间为尖头，向两侧逐渐扩大；两侧钢板桩2互相平行，与水流方向一致；下游留开口，无需打设钢板桩，利于施工船只进出。钢板桩2包括的加固范围略大于冲刷范围。如果相邻两个桥墩流空区有交叉，相邻桥墩间钢板桩2可打设在两桥墩中间位置，如无交叉则两侧打设的位置距桥墩距离相同，包含冲刷区即可。

在钢板桩2上设吊架并使用一台起重机辅助打设。钢板桩2在打入前应将桩尖处的凹槽口封闭，尽量避免泥土挤入，锁口应涂以黄油或其它油脂，防止水流涌入。打桩时，开始打设第一、二块钢板的打入位置和方向要确保精度，每打入1m测量一次。导向桩打好之后，以槽钢焊接牢固。

2).流空区回填砂土3，使其恢复至比原河床高度略高。

确定流空区冲刷深度h，流空区回填砂土3。当v≤v₀时，h＝k_ξk_ηB₁ ^0.6(v-v′₀)；当v>v₀时，其中k_ξ为桥墩墩形系数，河床颗粒影响系数沙床起动流速始冲流速v为一般冲刷后垂线平均流速，B₁为桥墩宽度，d为泥沙平均粒径。

k_ξ为桥墩1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；h_p为一般冲刷后最大水深及桥墩宽度B₁可由现场实际测量得出；一般冲刷后垂线平均流速可由流速仪进行测量；泥沙粒径需在桥墩附近进行泥沙采样，测量并计算出泥沙的平均粒径。计算出流空区的冲刷深度即可进行砂土回填。

在进行砂土回填之前，需对现场进行勘察，对土体环境进行试验，得出土体的粒径、密实度等参数，如流空区存在大块碎石或人造垃圾，可对流空区进行简单的清理。流空区回填砂土可以使用运沙船之类的运输工具进行运输，砂土尽量选取与原河床质地相同的砂土，或直接从下游砂土较多的河床上挖起进行回填，随后检验回填土的质量，观察有无杂物，粒径是否符合规定，以及回填土的含水量是否在控制的范围内。如图2所示，砂土回填至比坑底至图2原河床距离h略高。在回填过程中，回填土应分层铺摊，回填过程中一层一层铺平。当流空区填充土厚度达到深度h的105％-130％可停止填土，具体情况可根据不同施工现场来确定。最后用地质雷达采集图像进行找平验收。

3).加固区打入振冲高压注浆桩群

在完成步骤1)、2)后，即可在加固区内打入振冲高压注浆桩4进行加固，如图3所示，在保证整体防护效果的情况下，振冲注浆桩的预设深度应低于冲刷坑最低点以下。加固区内打振冲高压注浆桩可分为五步：施工前准备，检查振冲器性能，配置浆液；根据打桩位置使机具就位；下沉注浆；打至预设深度后上拔注浆；重复上述步骤最终形成水泥桩群，使桩柱与原地基形成复合地基，从而提高地基整体强度，防波抗浪。

施工过程中，可就近取材，使用海水或河水搅拌浆液，为了适应桥墩周围的环境，需要在初始水泥浆液中加入一定量的外加剂。所述振冲高压注浆法所采用的初始水泥浆中水与水泥质量比为0.3-1.5，再添加占水泥质量比为1％-50％的水玻璃，再加入中加入占初始水泥浆液的质量比为0.1％-5％的聚丙乙烯纤维，可使混凝土的抗压强度大幅提高，同时加入占初始水泥浆液质量比为5％-20％的粉煤灰或矿渣，可以有效提高混凝土的抗渗、耐蚀、抗碳化、抗溶析能力,抑制了碱骨料反应。

利用振冲注浆法振冲挤密海底松散土体，改变了砂土颗粒的排列方式，提高了加固区的基础密实度，同时使水泥浆与土体充分混合，形成水泥注浆桩9，桩身与土体组成复合地基，极大地提高了土体基础的整体强度。

如图3所示。桩群轮廓范围与钢板桩轮廓范围一致，可先从上游开始打设第一排，然后逐渐向下游施工。桩与桩之间形状呈梅花桩图案分布，单从桩位的布置来说，不是考虑受力的需要，主要考虑的是桩间距的要求，相邻两个桩的桩心间隔为1.5-2.5倍桩径。采用梅花桩布置，不均匀沉降小，不会随时间倾斜或者有裂缝。

4).拆除钢板桩5

振冲高压注浆桩群性质稳定后，即可拆除钢板桩5，如图4所示。拆除钢板桩5采用振动锤与起重机共同排除。后者用于振动锤拔不出的钢板桩2，在钢板桩2上设吊架，起重机在振动锤振拔的同时向上引拔。振动锤产生强迫振动，破坏钢板桩2与周围土体间的粘结力，依靠附加的起吊力克服拔桩阻力将桩拔出。拔桩时，先用振动锤将锁口振活以减小与土的粘结，然后边振边拔。拔桩产生的桩孔，可用振动法、挤实法和填入法，及时回填以减少对邻近建筑物等的影响。如若，钢板桩2在两桥墩中间时，在拆除钢板桩5的过程中可以保留两个桥墩之间的钢板桩2，便于下个桥墩施工时，下个桥墩钢板桩可直接连接在保留的钢板桩2上，能够省时、省力。

如图5所示，施工完成后，加固效果良好，外形美观，耐久性好，且无需后期维护。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种桥墩流空区加固方法，其特征是，包括以下步骤：

1).确定桥墩流空区范围，在所需要修复的桥墩周围打设连续钢板桩；假定流空区的轮廓线与桥墩桥身的轮廓线距离为s，当d≥0.01时，s＝0.4k_ξh^0.29B₁ ^0.53d^-0.13v^0.61；当d<0.01时，s＝0.48k_ξh^0.29B₁ ^0.53d^-0.13v^0.61。其中k_ξ为桥墩的墩形系数，h为墩前水深，B₁为桥墩宽度，v为墩前流速，d为泥沙粒径；

钢板桩的范围需涵盖冲刷范围，结构左右对称，迎水面中间向上游突出，中间为尖头，向两侧逐渐扩大；两侧钢板板互相平行，与水流方向一致，下游处无需打设钢板桩；

2).确定流空区冲刷深度h，流空区回填砂土；当v≤v₀时，h＝k_ξk_ηB₁ ^0.6(v-v′₀)；当v>v₀时，其中k_ξ为桥墩墩形系数，v为冲刷后垂线平均流速，v₀为床沙起动流速，v₀'为始冲流速，B₁为桥墩宽度，d为泥沙粒径，确定冲刷深度后回填砂土厚度为冲刷深度的105％-130％；

3).在回填好的流空区内打入振冲高压注浆桩群，桩与桩之间的位置分布按梅花桩形状分布，桩群的范围与钢板桩范围一致；

4).在注浆桩达性质稳定后，拆除钢板桩。

2.如权利要求1所述的桥墩流空区加固方法，其特征是，步骤1)中，为保证钢板桩打设精度，采用屏风式打入法，在打设钢板桩前，应先在钢板桩的锁口内涂抹防水材料；然后用吊车将钢板桩吊至插桩点处进行插桩，插桩时锁口要对准，每插入一块即套上桩帽轻轻锤击；在打桩过程中，为保证垂直度，用两台经纬仪在两个方向加以控制；为防止锁口中心平面位移，在打桩进行方向的钢板桩锁口处设卡板，阻止板桩位移；同时在围檩上预先算出每块板块的位置，以便随时检查校正。

3.如权利要求1所述的桥墩流空区加固方法，其特征是，步骤1)中，打设的钢板桩轮廓为左右对称结构，其迎水面向上游突出，中间为尖头，向两侧逐渐扩大；两侧钢板桩互相平行，与水流方向一致；下游区不设钢板桩，利于施工船只进出。

4.如权利要求1所述的桥墩流空区加固方法，其特征是，步骤2)中，回填砂土采用与原河床质地及粒径相似的砂土，或直接从下游砂土较多的河床上挖起进行回填。

5.如权利要求1所述的桥墩流空区加固方法，其特征是，步骤3)中，振冲高压注浆在有水情况下施工，利用振冲器向下冲击时，同时通过振冲器内含的高压注浆管向冲击区域注入水泥浆，在振冲器的挤压下，水泥浆向四周扩散，在挤压振密软土的同时挤出孔隙水，同时砂土颗粒在振冲器振动作用下重新排列组合，变得更加密实。当振冲器下降至预设深度，开始上拔而注浆不停，其底部向上抽吸，形成孔内负压，孔隙周围松散的土体在负压作用下向里垮塌，振冲器每上拔一段距离，则留振一段时间，使下面的土体与浆液充分挤密混合，然后继续上拔，直至振冲器脱离土层，此时的水泥浆与垮塌的土体在振动作用下密实并充分混合而形成桩身，桩身与土体组成复合地基，极大地提高了土体基础的整体强度。

6.如权利要求1所述的桥墩流空区加固方法，其特征是，步骤3)中，桩群中间向上游突出，逐渐向两边扩大，类似一个“箭头”，在能够影响水流特性的情况下，经济性得到保障；桩群中相邻两个桩的桩心间隔为1.5-2.5倍桩径。

7.如权利要求1所述的桥墩流空区加固方法，其特征是，步骤3)中，振冲注浆桩的预设深度应低于冲刷坑最低点以下。

8.如权利要求1所述的桥墩流空区加固方法，其特征是，步骤3)中，所述振冲高压注浆法所采用的初始水泥浆中水与水泥质量比为0.3-1.5，再添加占水泥质量比为1％-50％的水玻璃，再加入中加入占初始水泥浆液的质量比为0.1％-5％的聚丙乙烯纤维，同时加入占初始水泥浆液质量比为5％-20％的粉煤灰或矿渣。

9.如权利要求1所述的桥墩流空区加固方法，其特征是，步骤4)中，振冲注浆桩凝固以后拔除钢板桩，注浆桩桩头会冲起少量沙土，形成挡水桩，从而影响流水的水流特性，对流经挡水桩的水流进行消能，大幅度降低水流的冲击力，起到保护桥墩的作用。

10.如权利要求1所述的桥墩流空区加固方法，其特征是，步骤1)中，所述步骤4)拔除钢板桩时，如钢板桩在相邻两桥墩中间，预先保留这一段钢板桩，便于下个桥墩施工时，下个桥墩钢板桩可直接连接在预留的钢板桩上，能够省时、省力。