公路桥梁水中桩基础加固技术图文并茂[详细]

1、公路桥梁水中桩基础加固技术,2012年12月 浙江 杭州,北京特希达科技有限公司 浙江省交通投资集团有限公司杭金衢分公司 东南大学,根据有关部门的统计，截止到2007年，我国各类桥梁约有五十二万座，每年开工建筑的桥梁约为一万余座。 这其中相当数量的桥梁基础、墩柱位于水中。,技术背景,桥梁水下结构的使用条件和使用环境较之水上结构更为恶劣,静态应力和疲劳应力 河水冲刷、淘刷、磨损、气蚀 严寒地区的冻融和侵蚀（化学腐蚀和电化学腐蚀） 船舶碰撞 浮冰及地震袭击 环境载荷（如生物附着）,基础冲刷混凝土剥落,基础冲刷,某桥梁桩基础混凝土侵蚀 及露筋病害,盖梁断面缩小，开裂病害,桥梁桩基础等水下结构在全国桥

2、梁领域存在普遍类似问题：,河南某混凝土T型简支梁桥,随着时间的推移，河床的冲於、水质的变化，水中桩基础出现的问题会越来越多，需要维修处治的也会越来越多,广东某预应力混凝土T型简支梁桥,全长358m，深水下桩柱水下检查发现：,全桥54根墩桩柱中有20根受到不同程度的损坏 桩柱受损的位置大部分在离河床面12m的范围内 损坏最严重的桩出现混凝土破碎脱落 箍筋、主筋外露及严重锈蚀 最严重的一根断面仅剩1/3，有一半的主筋锈断,5号墩1号桩现状照片,5号墩2号桩现状照片,广东某桥桩基础损坏情况,混凝土冲刷剥落、截面减小、钢筋外露,某水中桩基础断面减小近半,18-1号桩身黄泥及露筋,18-1号桩柱露筋,1

3、8-2号桩柱钢筋笼外露情况,18-2号桩身的露筋示例,某大桥桩基础病害检查结果照片,New Yorks Schoharie Creek Bridge Collapse April 1987,桥墩桩基外露 混凝土保护层剥落 钢筋锈蚀 河床下切,水下桥墩桩基础典型病害,这些损伤、缺陷导致桥梁承载能力和耐久性降低，严重危及行车安全和桥梁的寿命！,因此，桥梁桥墩、桩基础等水下结构的加固是一个急需面对的问题，必须给予十分重视。,我国当前常用的桥梁水下结构的病害整治、加固基本上都需要围堰弃水、防水处理，技术状态落后。 桥梁水下结构的特殊应用环境，水下加固技术体系与普通的水上加固体系无论从材料配方、施工工艺

4、、计算方法、指标要求与质量评定等各个方面均有极大的差异。,常规的方法围堰弃水外包钢筋混凝土加固法,设置围堰（如钢围堰） 外包钢筋混凝土,某桥的常规方法水下加固,广东某桥采用加大截面加固设计方案,加大截面加固情况,水下结构的病害整治、加固的传统方法基本上都需要弃水、防水处理 围堰的材料费用及施工费用十分巨大，工期长； 其施工方法的辅助设施的间接费用可高达加固本身直接费用的数十倍、甚至百倍，使得水下结构加固投入资源较多，经济性差 并且施工过程中占用航道空间，社会影响大，尤其对交通运输繁忙的河道，加固过程中的间接影响更是不可估量。,目前，国外在水下加固方面作了较多的研究工作，开发了一些适用技术。,其

5、利用拼装的钢箱，下沉环抱于桥墩四周，在钢箱与桥墩之间设置反力支撑抵抗深水压力，钢箱底部设置止水带，形成密闭箱体，为加固工程创建一个干的工作环境,下沉钢箱法加固桥墩技术（NDR工法）,(a) 着底型上部开口式 (b) 环抱型上部开口式 (c)环抱型密闭式 (d)附着型上部开口式 新型沉箱干作业法加固的几种典型形式,着底开口式 基础尺寸远大于桥墩截面尺寸，加固区域顶部超出水面。加固时，钢箱底部可落底于基础顶面，钢箱顶部开口露出水面。 环抱型开口式 基础尺寸较小不足以支撑钢箱体，加固区域顶部超出水面。加固时，钢箱底部环抱于基础并设置止水构造，钢箱顶部开口露出水面。 环抱型密闭式 加固区域为桥墩中部部

6、分区域。加固时，钢沉箱顶底部都环抱于桥墩并设置止水构造，形成密闭箱体，创建一个干的工作环境。 附着型开口式 港口、码头等壁状部位使用该技术，钢沉箱与墙壁结合处设置止水装置。,主要工艺,为了运输方便，钢沉箱可根据需要分割成较小单元在工厂制作，然后运输至现场在陆上拼装成两个半体；同时，安设内部侧向支撑。为了使钢沉箱象船舶一样地浮游，钢沉箱底部设置永久底板，其内部可根据需要注水、抽水实现下沉与上浮。 在待加固结构周围清理、底面整平之后，钢沉箱下水，采用船舶进行拖航，至预定位置进行闭合组合，使用千斤顶进行位置微调，注水沉设，进行安装，清扫底面，同时，在钢沉箱底板尖端部和既有构造物的间隙处设置止水构造。

7、,钢沉箱陆上拼装,钢沉箱安装,新型沉箱干作业法加固关键工艺,为了填埋钢沉箱底板和既有构造物的间隙，防止涌水，进行水中不分离性混凝土浇筑。 安装内部支撑，对钢沉箱内部进行固定，随后，抽去钢沉箱内部水。,水中混凝土打设,钢沉箱内部排水,上述工作确保了加固结构干燥的作业空间，继而对该结构进行需要的加固，可采用普通的外包钢筋混凝土加固技术，通过凿毛、植筋等技术措施实现后加固结构与原有结构的可靠粘结，从而实现对水下结构的可靠加固。 加固工程完成之后，向钢沉箱内部注水，撤去内部支撑，将钢沉箱拆为两部分，排去钢沉箱夹层内的水，使之浮起并由铅垂状态转向水平状态，实现对钢沉箱回收与重复利用。,结构加固,钢沉箱回

8、收,单元制作,单元运输,单元试装配,单元构造,施工实例,(a)钢沉箱拖运过程全景,(b) 钢沉箱两个半体在墩位合并组装情况,新型钢沉箱干作业法使得位于河流和海洋中的水下桥墩实现低成本、干燥环境下的加固成为可能，由于其采用下沉钢沉箱加固技术，具有以下显著工艺特点： 由于调查，修复和加固工作可以进行干燥的条件下，工作环境和安全性改善，施工的质量提高。 运输和安装可以借助于浮力进行，从而消除如梁下空间的最低要求和选择适当的机器。 由于沉箱预先在工厂生产，在现场操作的时间大大减少。 水上工作的领域面积较小，从而最大限度地减少中断交通和其他经济的影响。 适用于不同形状的结构，包括圆形、椭圆形及矩形的结构

9、基础或结构墩柱，以及墙式结构（使用钢板桩）。 由于沉箱可转换为或用于加固或修复结构的组成构件，这种新方法也被证明是经济的。,其利用静力压入技术，将节段焊接拼装的加固钢管沿桥墩、桩基础四周压入土中，将钢管与桥墩、桩基础间隙间的水抽去之后，灌注无收缩高性能砂浆对桥墩、桩基础实现加固。,压入钢管法加固桥墩技术（SSP工法）,普通加固方法一般仅能对结构基础以上部分进行加固，但经常也存在桥墩与桩基础直接相连，不能像一般结构那样地明确区分桥墩和基础 对于桥梁下部结构，尤其是桩基础等水下结构，其最大弯矩点理论上并不位于基础顶部，通常位于基础以下数米 因此，对基础下部入土一定范围进行加固是十分必要的，而通常限

10、于现有技术的局限，一般无法实现这一目标。,主要工艺,为了实现静力压入钢管的目的，在桥墩或桩基础靠近顶部设置反力钢板，反力钢板固定于待加固结构四周侧面，在静力压入时，其反力通过自身实现平衡。 沿加固结构四周布置千斤顶压入装置，千斤顶顶部反力于上部反力钢板，加固钢管按施工方便需要划分节段，沿环向由多片现场焊接。,反力钢板的设置,压入装置和加固钢管的设置,压入钢管法加固关键工艺,通过压入装置施压，将加固钢管静力压入基础。 沿加固结构四周布置千斤顶压入装置，千斤顶顶部反力于上部反力钢板，加固钢管按施工方便需要划分节段，沿环向由多片现场焊接。 第一节钢管压入之后，拼装焊接下一节钢管，依次循环压入，直至达

11、到设计要求。,加固钢管的压入,千斤顶的移动,次加固钢管的连接,压入钢管法加固关键工艺,高压喷射清洗加固钢管与待加固结构之间的泥土。 待泥浆清洗完毕，灌注无收缩高性能砂浆，加固完成。,高压喷射清洗,填充砂浆的填充,反力钢板的设置,钢板压入状况,完成后状况,施工过程中,施工实例,(a) 压入装置设置,(b) 加固钢管拼装,压入钢管加固技术适用于碎石土（碎石最大直径小于现有结构与加固钢管之间的间隙）、淤泥质土、粘性土、有机质土等土质条件下的直径3001500mm各种桥墩、桩基础构件的加固，梁下空间不小于2.5m（如果空间过小，可从基础顶面向下挖掘），其具有以下显著工艺特点： 适用于水中结构的部分修复

12、与加固。 焊接工作位于陆上，质量可靠。 对基础加固时无需重新构筑基础，加固的同时实现原结构的防腐施工。 上部开放的工作面，工人工作条件较好。 作业过程低噪声、无污染。 作业条件受恶劣气候条件影响小。 无需大规模的临时隔水措施，不需要大型设备，经济性较好。 加固过程对路面交通无影响。 对结构尺寸及外观基本无改变，不影响通航净空。,美国加州的Fyfe公司开发了水下固化FRP体系 南佛罗里达州大学成功将FRP应用于桥梁预应力桩基的水下修复加固，结构的抗腐蚀能力有着显著的提高,水下固化FRP加固体系,FRP:纤维增强复合材料，碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维等高性能连续纤维浸渍于树脂中，目前在桥梁上部结构

13、加固中应用广泛，包括梁板抗弯、抗剪加固，桥墩的抗震加固等。,Pressure bagging process being applied to underwater pile,预制FRP加固体系,安装FRP壳体,灰浆搅拌,注入灰浆,完成效果,FRP加固水中钢结构,完成效果,钢沉箱加固技术：适用于大型桥梁的桥墩、桩基础的加固，由于涉及钢箱托运、下沉、水下拼装，工艺复杂，对中、小型桥梁适用性差。 压入钢管加固法：由于涉及反力点的设置，反力点设置复杂，需要专门的压入设备，土质条件受限，对于有系梁的桥梁无法操作。 水下粘结FRP：很难在水下均匀的粘贴在混凝土表面，FRP内部的水无法在粘贴时顺利排除，粘

14、贴效果差。,目前，国外相关水下加固技术存在各自的技术特点和适用范围：,针对目前桥梁水下基础、墩柱等水下结构加固难度大、费用高、周期长的现状，普通FRP在水下加固的无法适用，我们提出了新型公路桥梁水下桩基础玄武岩纤维网格加固技术（浙江省2010年交通运输厅科技项目（2010H06） 。,新型纤维网格（FRP）加固水中桩基础技术,该技术采用FRP网格，按预定层数沿结构四周环向安装，利用拼装下沉的钢套管作为临时围堰与模板，通过水下不分散环氧树脂（或高流动性砂浆）实现FRP网格和内部混凝土结构之间的粘结，钢套管的可回收实现了钢套管的重复利用。,技术简介,抗拉强度、弹性模量高 轻而薄 耐久性好 施工性能

15、好,FRP网格材料特性,FRP网格是将碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维等高性能连续纤维浸渍于耐腐蚀性良好的树脂中，形成整体的网格状材料，具有以下特点：,该技术以水下无排水施工为指导思想，结合了FRP网格施工成型方便等优良的物理特性和钢套管水下结构施工技术的优势，以较简单的工艺实现对水下结构的成功加固。,常用CFRP网格横截面面积及尺寸,纤维网格（FRP）应用优势 FRP网格加固水下结构，克服了FRP片材在潮湿环境下界面性难辩证，无法有效加固水下的桥墩结构的缺点 其用于潮湿环境和水下结构加固有独特的优势。,采用真空工艺制作的网格制品,FRP加固桥面板施工工艺,纤维网格（FRP）在土木工程中的应用,F

16、RP加固桥梁梁板施工工艺,FRP网格加固隧道,施工准备 混凝土基层处理 受损伤构件的补修 FRP网格安装 纤维网格的搭接 安装节段钢套管 封闭钢套管底端 灌压砂浆、树脂 回收钢套管,FRP网格加固水下结构施工工艺,待加固水下结构,结构表面处理,安装节段钢套管,FRP网格安装,封闭钢套管底端,灌压浆体,回收钢套管,提高水下结构耐腐蚀、避免钢筋锈蚀对结构影响 提高结构抗冻融性能 提高结构承载力（弯、剪、压） 增强结构延性、耗能等抗震能力 阻止纵筋搭接滑移破坏,技术效果,施工工艺简单 适用于水下施工，无需围堰 工期短、成本低 不受空间狭窄的限制 施工期间基本不影响通航和交 通 质量可靠，可充分发挥F

17、RP网格的材料性能,工艺特点,纤维网格（FRP）安装,钢套管,工艺验证,安装钢套管,检查密封性,灌压不分散砂浆,灌压树脂,水下不分散树脂水下加固试件拆模后情况,水下不分散砂浆水下加固试件拆模后情况,回收钢管套,水下不分散砂浆,材料性能,水下砂浆不分散剂 (a)甲组分 (b)乙组分,不分散砂浆不分散性试验 不分散砂浆扩展度试验,不分散砂浆水上对比试块浇注图 不分散砂浆水下立方体试块浇注,材料抗压力学性能试验结果,从试验结果看，水下浇筑试件强度大约是无水试件的88%左右。 水下不分散砂浆的水下浇筑强度损失较低。,水上/水下对比（1周）,水下环氧树脂,试件成型过程,国产胶正拉破坏情况,国产胶钢-钢粘

18、贴及抗压破坏情况,材料性能指标,从试验结果看，水下树脂性能指标很好。 基本达到我国桥梁加固规范陆上A级胶的要求。,纤维网格,（a）2束4000tex玄武岩纤维 （b）4束12k碳纤维,(a) 荷载-变形曲线 (b) 应力-应变曲线 2束4000tex玄武岩纤维试件试验曲线 2束4000tex玄武岩纤维试件试验结果分析,2束4000tex玄武岩纤维网格筋,(a) 荷载-变形曲线 (b) 应力-应变曲线 图3.24 4束12k碳纤维试件试验曲线 4束12k碳纤维试件试验结果分析,4束12k碳纤维网格筋,试件为3层纤维网格（FRP）加固混凝土150圆柱，由于灌压材料的不同以及有无水情况的不同以及有无

19、加固条件的不同，总共有15个圆柱体，分为五组试验： （1）未加固 （2） 不分散砂浆水下加固 （3）不分散砂浆陆上加固 （4）不分散树脂水下加固 （5）不分散树脂陆上加固,网格规格为2020mm，横向、纵向网格筋间距都为20mm，横向网格筋的破坏荷载为1.5kN，按1束截面积0.795mm2计算，其抗拉强度平均为1898.5MPa。,试验验证,试件参数,灌压材料为水下不分砂浆时，灌压厚度25mm 灌压材料为水下环氧树脂时，灌压厚度5mm。具体试件如下表：,未加固混凝土圆柱破坏情况,未加固混凝土圆柱,Z-01、Z-02、Z-03的荷载峰值分别为591.4kN、651.5 kN、645.4 kN，

20、平均峰值荷载629.4kN，对应平均峰值应力35.6MPa，峰值应变0.0022。,灌压材料为水下不分散砂浆（无水）试件的破坏情况,水下不分散砂浆（无水）,平均峰值荷载1020.3kN，对应平均峰值应力57.8MPa，峰值应变0.0042，承载力提高1.62倍，峰值应变提高1.92倍。,灌压材料为水下不分散砂浆（有水）试件的破坏情况,水下不分散砂浆（有水）,平均峰值荷载1017.0kN，对应平均峰值应力57.6MPa，峰值应变0.0044，承载力提高1.62倍，峰值应变提高1.98倍。,灌压材料为水下环氧树脂（无水）试件的破坏情况,水下环氧树脂（无水）,平均峰值荷载1094kN，对应平均峰值应

21、力61.9MPa，峰值应变0.0045，承载力提高1.74倍，峰值应变提高2.03倍。,灌压材料为水下环氧树脂（有水）试件破坏情况,水下环氧树脂（有水）,平均峰值荷载1061.8 kN，对应平均峰值应力60.1MPa，峰值应变0.0056，承载力提高1.69倍，峰值应变提高2.56倍。,试验结果对比,未加固,不分散砂浆（水下）,未加固,环氧树脂（水下）,各类试件的力学性能对比（平均值）,灌压材料为水下不分散砂浆（水下加固），比陆上加固，差别不显著。 灌压材料为水下环氧树脂（水下加固），比陆上加固，差别也不显著。,采用不分散砂浆作为灌压粘结材料和采用水下环氧树脂作为灌压粘结材料的对比可以看出，采

22、用后者的承载力提高效果略好，相差5%。,试点工程,某简支梁桥的桩基础加固试点,维 修 加 固 设 计,阶段1,阶段 2,阶段 3,加 固 施 工,现 场 试 验,完 工 后 检 测 与 清 理,阶段 4,一、维修加固设计,1,病害情况及成因分析,2,加固设计原则与总体思路,3,加固设计方案,4,工程概况,1、工程概况,该桥为一座预应力混凝土简支梁桥，跨越衢江。桥梁全长551.0m，共22跨，跨径组合为（1520m540m+220m）。 上部结构主桥为跨径40m预应力混凝土T梁，引桥为跨径20m预应力混凝土空心板梁； 下部结构采用为双柱墩、U型台，钻孔灌注桩基础和扩大基础。 本桥有水中墩3个，均

23、为钢筋砼钻孔灌注桩，共6根（2根/墩），本次检测全部进行了检查。水中墩桩基础编号见图所示。,水中墩侧面照,水中墩桩基础编号示意,水下检测结果,2、病害情况及成因分析,16号墩桩基础检查结果病害(或外观状况)照片,16-1号桩身黄泥及露筋示例,16-1号桩柱露筋示例,16-2号桩身夹泥及露筋示例,16-2号桩身的露筋示例,原因分析：,病害情况及结论,从检测报告来看，由于河床冲刷程度较大，局部河床面冲刷下切严重，以至使桩基础缩颈、表面混凝土掏空，钢筋笼外露等病害，对结构的安全性和耐久性带来危害，需立即进行加固及补强处理。,病害情况：,桩基缩径； 桩基外包黄泥或夹有黄泥； 钢筋外露、空筋，病害分布范

24、围广，病害程度严重，承载能力下降，技术状况评定评定为四类，处于较差状态，存在严重的安全隐患，应进行大修加固处理。,3、加固设计原则及总体思路,结合该桥桩基础的工程特点，水位深、水流大等因素的影响，按照以下原则拟定加固设计方案：,（1）应进行水下桩基础的补强加固，主要以恢复桩基础至病害前状态为指导思想。 （2）补充受损的钢筋面积，并采取有效措施进行保护，避免病害的进一步恶化。 （3）对桥墩桩基础采取相应防冲刷措施。 （4）维修加固后桥梁结构的安全性、耐久性应得到提高。 （5）加固设计应与施工方法紧密结合，设计方案需要充分考虑水下特点，施工方案有效可行。,总体思路,根据本工程基本资料分析，该桥桩基

25、础缩颈，钢筋笼外露及掏空现象严重，河床冲刷下切现象严重。 针对以上主要结构病害，结合该桥水文情况，将16号墩的两根桩基础作为试点工程 采用玄武岩纤维网格筋+水下不分散砂浆加固技术进行维修加固处治。,4、16号墩水下桩基础加固设计方案,（1）设计要点 利用玄武岩纤维网格筋的高强度和柔韧性，通过水下不分散砂浆的粘合力，围箍在受损桩身表面，提高该部分桩身的承载力和砼耐久性，同时也将对受损的部位予以修复。 由潜水员在水中将玄武岩纤维网片包裹在桩基础表面，通过灌注水下不分散砂浆将玄武岩纤维网片包裹于桩基础表面，并在施工完成后拆除桩基础表面钢套管。,此加固方法实现了对桩基础病害修复的同时有效抑制桩基础病害

26、的继续发展。 为确保加固质量、加强监督，在加固过程中及加固完成验收时采用水下监测成像设备，由潜水员将探头伸入水中，通过成像设备在陆地进行监控，以确保施工质量。,（2）网格加固量计算及其编制构造,根据本桥的原有图纸及水下检测结果，原桩基础混凝土强度C25。通过BFRP网格约束加固，假设加固后部分混凝土强度提高至C30 采用4000tex玄武岩纤维束编制BFRP网格，单束纤维截面积为1.59mm2 最终，长度方向玄武岩纤维束数取16束，幅宽方向玄武岩纤维束数取8束。,玄武岩纤维网格设计图,（3）维修加固图纸,立面,侧面,二、加固施工,网格成品,网格预缠绕,纤维网格,(a)甲组分 (b)乙组分 水下

27、砂浆不分散剂,水下不分散砂浆,钢套管制备,灌浆设备,（a）水上通道 （b）作业平台,潜水员在水下作业，使用高压风动镐、高压水枪清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土及附生在混凝土表面的水生物；对于较大孔洞处采用修复材料修复平整。 对柱脚沉淤进行清除处理，应保证柱脚直径外1m范围内淤泥清除干净，露出底部结构平台，以保证后继工序的质量。,桩基础混凝土表面预处理,步骤一：桩基础四周初步整平 对桩基础四周存在较大高差处进行抛填碎石与砂进行初步整平，以满足钢套管下方的水平需要；对底部一些突出大块石，采用钢钎结合钢丝绳进行清除处理。 步骤二： FRP网格安装 按设计要求的尺寸进行FRP网格

28、下料。FRP网格采用环向缠绕的形式进行安装，完成后采用水下检测设备进行网格安装情况检测。,桩基础加固施工,所加固的2个桩基础的网格缠绕及搭接情况,（a）16-1水下桩基础网格 （b）16-1水下桩基础网格搭接,（c）16-2水下桩基础网格 （d）16-2水下桩基础网格搭接,检测结果：所加固的2个桩基础的网格缠绕及搭接情况良好。,钢套管由两个半圆组成，每节长度应满足安装方便需要，主要的标准节段为1m，多节套管通过法兰螺栓拼装连接，为减少水下工作，每套桩基础的钢套管在水上预先拼装成两个竖向半圆整体后沉入水下，再由潜水员进行就位，沿着竖向在水下拼装 钢套管的连接处应垫上橡胶或泡沫垫层，本工程采用保温

29、管作为垫层，以提高钢套管的密封性，为保证加固工程完成后钢套管拆除方便，在钢套管安装前应对其内部均匀涂抹隔离剂。,步骤三：安装钢套管,钢套管水上拼装及下沉过程,步骤四：封闭砂浆浇筑 所有钢套管沉入设计标高就位后，对钢套管底部进行整平，利用碎石及砂袋对钢套管底部进行初步封底，随后，在正式灌压不分散砂浆之前预先灌注30cm左右不分散砂浆对钢套管底部进行封闭。,步骤五：灌压不分散砂浆 通过位于施工平台上的高压灌浆机，将预先配制好的高流动性不分散砂浆灌入钢套管内，压浆导管伸入钢套管底部，自下而上连续稳定地进行，整个过程不中断。在灌压过程中，随时下水检查底部有误漏浆现象，出现漏浆时，立刻减慢灌浆速度或停止灌浆，进行漏浆处理，待灌压体积快达到预估数量时，利用垂球等方法检查浆体所达位置，至设计标高继续灌注35罐停止灌注，在灌注24小时之后，通过水下触摸的方式探明水下不分散砂浆灌注密实。,砂浆泵搅拌及压浆过程,三、现场试验,不分散砂浆的力学性能试验,不分散砂浆圆柱体的力学性能试验,FRP网格加固圆柱的力学性能试验,目的：为了检测现场FRP网格水下加固桩基础的加固效果，评定相关材料性能及施工工艺。,力学性能试验,现场试验试件,（a）试件加载过程 （b）试