浅论桥梁下部结构的缺陷及加固

浅论桥梁下部结构的缺陷及加固

1.前言
    随着我国社会经济和交通运输事业的快速发展，过去年代修建于各地城镇和各级公路上的桥梁，负担着十分沉重的交通荷载及繁重的交通量。当时社会发展较缓，缺乏前瞻和预见，桥梁投入运营使用之后，运营管理的长期滞后，管养制度建设和队伍建设长期被忽视，管养费用被挤占、挪用，运营车辆长期普遍超载和严重超载未得遏制，桥梁的技术状态未得到及时、细致的观测掌握。在寒冬酷暑、暴雨烈日、洪水冲刷、车船撞击的多年影响下，使得为数众多的农用、公路及城市桥梁，发生了各种大大小小的病害，如桥面破损、栏杆断裂、伸缩缝损坏、桥头跳车、梁板或拱体裂缝、砼剥落、钢筋钢索锈蚀、钢结构裂纹锈烂、墩台断裂位移、挡墙倾斜错位、锥坡下挫坍塌、墩台基底冲空、桥头路基冲塌、河床护底冲翻以及河道被冲刷严重变迁而危及桥头路基等，已经破坏了桥梁的正常良好状态。这种不良状态，除将大大缩短桥梁的使用寿命之外，有的已经威胁着过往人车的安全而成为危桥，成了政府、管理部门和人民群众关注、耽心的大事。
    这些桥梁具有荷载等级低、使用年限长的特点。从技术资料分析，大多数桥梁是三不知：1不知基底地质；2不知基础深度；3不知隐蔽部分的尺寸。从桥梁技术状况分析，由于河床屡遭洪水冲刷，河床底部加深，桥梁墩台基础外露、冲空，产生不均匀沉降，导致桥台、拱圈产生附加应力而出现开裂，有的甚至出现开合现象；有的桥梁由于桥台较高，受行车及台后土压力的作用，桥台出现开裂、凸肚等病害；桥面混凝土铺装层由于使用时间长加之重车作用，导致开裂、剥落等病害。按桥梁技术状况来评定大多属三类桥梁。
    随着国民经济的发展和重点工程的建设，目前公路桥梁所承受的负荷有3个特点：1交通量不断增大；2重型车辆增加及超载现象严重；3超限运输的出现和增加。按现在桥梁和运输状况，桥梁的承载能力和通过的车辆荷载是公路与运输的矛盾之一。
    旧桥加固，提高旧桥的承载能力，确保交通运输的安全是目前和今后面临的任务。
    2.桥梁下部结构的主要问题
    桥梁下部结构由桥墩、桥台及其下部的基础构成。墩台和基础是桥梁的重要组成部分，是直接承受桥梁上部结构的荷载，同时将荷载传递给地基的受力结构。所以，桥梁下部结构是桥梁的支承部分，又称支承结构。
    桥台使桥梁与路堤相连接，因此，它除了承受上部构造的荷载外，还承受来自台后路堤添土的土压力。而桥墩所受的外压力则比桥台还要大些，除了承受上部构造荷载外，还要承受风力、流水压力、冰压力、浮力，以及在特殊情况下可能发生的船只或漂浮物的撞击力等的作用。
    桥梁墩台基础在长年使用过程中，还将受到自然界各种因素的影响作用，如大气、雨水的侵袭，洪水的冲刷。在地震区，还不可避免地受到地震力的作用。此外，由于过桥车辆的日益重型化，实际上部分活载标准已超过设计规范的负荷要求，墩台的负担在不断地增加，经常受到过重活载的作用。
    这样，桥梁墩台和基础在建造过程中或建成经多年使用后，将会出现不同程度的损坏，产生各种缺陷。
    2.1墩台结构的缺陷
    墩台结构均位于上部结构和基础之间，是桥梁下部结构的主体，多采用圬工或钢筋混凝土结构。墩台结构由于具有将上部结构的荷载传递给基础的功能，因此，墩台容易受到上部结构荷载增加和基础出现缺陷的直接影响，尤其是，当基础产生不均匀沉降、滑移、倾斜等现象时，将会使墩台受到影响而产生很大的损坏。
    墩台损坏的主要形式是出现裂缝。常见的裂缝有水平裂缝、竖向裂缝及网状裂缝等。
    砖石砌体或钢筋混凝土墩台除常年受干燥、潮湿、寒暑、冻结冰害等气候条件的影响外，还受到水、海水、酸、碱、火、热等作用，从而产生裂缝、剥落、锈蚀等病害。此外，材料随使用时间的增长还会老化。
    在船只及漂浮物的撞击等突然外力作用下，墩台会产生局部破坏，混凝土墩台会产生脱落与剥离。
    概括之，桥梁墩台结构的缺陷主要有：裂缝、剥落、空洞、钢筋外露、锈蚀、老化、结构的变形移位等。
    2.2桥梁基础的缺陷
    桥梁基础一般采用天然地基上的浅基础和桩基础、沉井基础以及混合基础等深基础。由于每类基础所处的条件不尽相同，因此，根据基础结构形式及修建基础地形的差异，所产生的缺陷也不完全相同。但从总的方面来说，它有一定的规律性。桥梁基础一般容易发生的主要缺陷有：
    2.2.1基础的沉降和不均匀沉降
    由于地基的压密下沉而引起的基础沉降，这对于任何一座桥梁都将是难以避免的，在一定范围内这是正常现象，而超出一定的范围则将对桥梁产生有害的影响，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升降等的影响，往往还会产生不均匀的沉降。
    2.2.2基础的滑移和倾斜
    基础由于经常受到洪水的冲刷而产生滑移，冲刷深度由河流的河床纵坡与河床堆积物成分等因素所决定。一般很难预先估计冲刷有多深,事先必须经过充分的调查，以探求其冲刷深度。另外，由于河床疏浚开挖，减少了桥台台前临河面地基土层的侧向压力，也会使基础产生侧向滑移。
    当桥台基础建造于软土地基上，而台背填土超过一定高度且基础构造处理不当时，作用于台背的水平力增大，将导致地基失稳，产生塑性流动，使桥台产生前移。当基础上下受力不均时，台身也随之产生不均匀的滑移，导致基础出现倾斜。
    产生滑移或倾斜的桥台基础，多为建造在软土地基上的重力式桥台、倒T式桥台。沉井基础也有产生前移的，这是由于沉井基础施工时扰动了地基且承受井背土压力的宽度大，可又不能相桩基础那样，有使流动土压力从桩间挤过去的效果，所以作用于沉井基础的流动压力比桩基础的大，会引起其位移的几率也大。
    基础产生的滑移或倾斜，在严重时会导致桥梁结构的破坏，起破坏形式有：
    1、支座和墩台支承面破坏以及梁从支承面上滑落下来。
    2、伸缩缝装置被破坏或使接缝宽度减少、伸缩功能减弱。
    3、滑移量过大时，梁端与胸墙紧贴，严重时导致胸墙破坏或梁局部压屈。
    2.2.3基础结构物的异常应力和开裂
    由于受力不均，往往会产生局部异常应力，并导致横向或纵向裂缝。在特殊外荷载的作用下，还会使基础结构物因出现异常应力而产生局部破坏。
    3.梁墩台基础的加固和改造
    桥梁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，往往应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，延长桥梁使用寿命。同时可避免拆除重建，从而减少投资，充分发挥现有桥梁的经济效益和社会效益。
    桥梁墩台基础加固的常用方法有：钢筋混凝土墩台结构套箍或护套加固法、桥台滑移倾斜处理、人工地基加固法、扩大基础加固法、增补桩基法、高压喷射注浆法、灌浆法等。以及实际加固工程中常遇到的拱桥墩台基础加固法和桥梁墩台基础改造等。
    3.1钢筋混凝土墩台结构套箍或护套加固法
    在桥梁墩台出现贯通裂缝，防止裂缝的继续发展，使之能正常使用，可用钢筋混凝土围带或钢筋进行加固。加固时，一般在墩身上、中、下分段三道围带：其间距应大致相当于桥墩侧面的宽度。每个围带的宽度，则根据裂缝情况和大小而定，常为墩台高度的1/10左右，厚度采用10~20cm。为加强围带与墩台的连接，应在墩内埋置直径10~25cm的钢销，埋入深度为钢销直径的20倍左右。把围带的钢筋网扣在钢销上，埋钢销的孔眼要比销径大出15~20mm，先填满销孔再浇注混凝土，同时填塞裂缝。
    当墩台损坏严重，如有严重裂缝及大面积表面破损、风化和剥落时，则可采用围绕整个墩台设置钢筋混凝土护套的方法进行加固。
    3.2桥台滑移倾斜的处理
    当桥台出现滑移倾斜时，可采用以下三种方法进行加固：支撑法、新建辅助挡土墙法、减轻荷载法。
    1.支撑法加固
    当墩台因尺寸不足，难以承受台石的土压力而往桥孔方向产生倾斜或滑移的埋置式桥台，可采用修筑撑壁法进行加固。
    对于单孔小跨径桥台，为防止桥台滑移，可在两台之间加建水平支撑，如整跨浆砌片石撑板，或用钢筋混凝土支撑梁进行加固。
    2.新建辅助挡土墙加固
    对于因桥台台背水平土压力太大而引起的桥台倾斜，应设法减少桥台后壁的土压力，可在台背加建一挡土墙，以增强挡土墙能力。
    3.减轻荷载法
    筑于软土地基上的桥台，常由于填土较高，而受到较大侧向土压力的作用，从而使桥台产生前移，以致发生倾斜。为此，一般可更换台背填土，减少土压力，既采用减轻桥台基础所受荷载的方法进行加固。
    3.3人工地基加固法
    当基础下面的地基松软，不能承受很大荷载，或上层土虽好，但深层土质不良引起基础沉陷时，可采用人工地基加固法以改善提高基础的承载能力。
    人工地基加固方法很多，一般常用的有砂桩法、树根桩法、高压喷射注浆法和灌浆法等。
    1.砂桩法
    当软弱基层较厚时，可用砂桩法改善地基的承载能力。加固施工时，将钢管或木桩打入基础周围的软弱土层中，然后将桩拔出，灌入经过干燥的粗砂，进行捣实，做成砂桩。达到提高不的密实度的目的。
    在含水饱和的砂土或粉土中，由于容易坍孔，灌砂困难，亦可采用砂袋套管法与振冲法加固地基。
    2.树根桩法
    树根桩是一种小直径钻孔灌注桩，其直径通常为100~250mm，有时也采用300mm。先利用钻机钻孔，满足设计要求后，放入钢筋或钢筋笼，同时放入注浆管，用压力注入水泥浆或水泥砂浆而成桩，也可放入钢筋笼后再灌入碎石，然后注入水泥浆或水泥砂浆而成桩。小直径钻孔灌注桩也有称微型桩。小直径钻孔灌注桩可以竖向、斜向设置、网状布置如树根状，故称树根桩。
    树根桩技术是20世纪30年代初由意大利的Fondedile公司的F.Lizzi首创，随后在各国得到应用。
    3.高压喷射注浆法
    高压喷射注浆法是将带有特殊喷嘴的注浆管置于土层预定深度，以高压喷射流使固化浆液与土体混合、凝固硬化加固地基的方法。
    4.灌浆法
    灌浆法是墩台基础之下，在墩台中心直向或斜向钻空或打入管桩，通过孔眼及关孔，用一定压力把各种浆液注入土层中，通过浆液凝固，把原有松散的土固结为有一定强度和防渗透性能的整体或把岩石裂缝堵塞起来，从而加固地基、提高地基承载力的一种加固法。灌浆法加固桥梁墩台基础，所采用的方法和灌浆材料一般因地质情况的不同而异。
    3.4扩大基础加固法
    扩大桥梁基础底面积的方法，称为扩大基础加固法。此法适用于基础承载力不足或埋置太浅，而墩台又是圬工或混凝土刚性实体式基础时的情况。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加固，主要由地基变形计算来加以选定。
    扩大基础加固法可按下列顺序进行：
    （1）常在必须加宽的范围内先打板桩围堰，如墩台基底地基土不好时，应做必要的加固。
    （2）挖去堰内土体，只挖至必要的深度。
    （3）在堰内把水抽干后，铺砌石块（浆沏）或做混凝土基础。
    （4）新旧基础要注意牢固结合，施工时，可加设联系钢筋或插以钢销，以使加固扩大基础和旧基础牢固的结合成一整体。
    3.5增补桩基法
     在桩式基础的周围补加钻孔桩或打入钢筋混凝土预制桩并扩大原承台，以此提高基础承载力、增加基础稳定性.。这种加固法称为增补桩基加固法。
     增加桩基法加固墩台基础的优点是不需要抽水坝等水下施工作业,且加固效果显著。其缺点四需搭设打桩架和开凿桥面，对桥头原有架空线路及陆上，水上交通均有影响。
     对单排架桩式桥墩采用打桩加固时，如原有桩距较大（在4~5倍桩径时），可在桩间插桩。如原有桩距较小且通航净跨允许缩小时，可在原排架两侧增加桩数，成为三排式的墩桩。
     如在桩间加桩，可凿除原有盖梁并浇筑新盖梁，将新旧桩顶连接起来。但此时必须检查原有盖梁在加桩顶部能否承受与原来方向相反的弯矩，如不能承受则必须加固原有盖梁或重新浇筑盖梁。加固原有盖梁是，可在盖梁顶部增设钢筋。
     当桥台垂直承载里不足时，一般可在台前增设一排桩并浇筑盖梁，以分担上部结构传来的压力。打桩时，可利用原有桥面作脚手架，在桥台上开洞插桩。增浇的盖梁可单独受力，也可连接在一起，使旧盖梁，旧桩及新桩一起受力。
     例如，某桥因疏浚河道导致桥台桩基太浅，危及行车安全。因此，采取在台前加三根钻孔桩的加固措施。在新加桩上重新浇筑新盖梁，使新加盖梁与旧桥台盖梁同时受力，从而提高了该桥的承载能力和稳定性。该桥施工时，维持半边交通，在桥面上开凿三个洞，直径1米，桥面上设钻孔桩施工脚手，施工完毕后将桥面修复，省工省料。新台盖梁施工时比愿台盖梁略低一些，这样不必将桥梁上部结构顶升抬起。施工完毕时新台盖梁并未受力，当旧桥台有沉陷时，新桩旧桩就可共同受力。该桥采用此法加固后，运营正常并没有出现任何病变，说明加固效果很好。
    3.6高压喷射注浆法
     高压注浆法20世纪60年代创始于日本，是利用钻机把带有喷嘴的注浆管伸至土层的预定位置后，以高压设备使浆液或水以200MPa左右的高压流从喷嘴中射出来，冲击破坏土体，同时钻杆以一定速度渐渐向上提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个固结体。固结体的形态与喷射流的移动方向有关。一般分为旋转喷射，定向喷射和摆动喷射三种。
     施喷法施工时，喷嘴-面喷射-面旋转并提升，固结体形呈圆柱状。主要用于加固地基，提高地基的强度，改善土的变形性质；也可组成闭合的帷幕，用于截阻地下水流和治理流沙。旋喷法施工后，在地基中形成圆柱体，称为旋喷桩。
     定喷法施工时，喷嘴-面喷射-面提升，喷射的方向固定不变，固结体形如板状或壁状。
     摆喷法施工时，喷嘴-面喷射-面提升，喷射的方向呈较小角度来回摆动，固结体形如较厚墙体。
    而在桥梁基础加固工程中，应用较多的是高压旋喷法。
    1.  高压喷射注浆法的工艺类型
    高压喷射注浆法的工艺类型主要有如下四种：（1）单管法；（2）二重管法；（3）三
    重管法；（4）多重管法。
    2.  高压喷射注浆法的特点
    高压喷射注浆的特点如下：（1）适用范围交广；（2）施工简便；（3）可控制固结体
    形状；（4）可垂直、倾斜和水平喷射；（5）耐久性较好；（6）料源广阔；（7）设备简单。
    3.  高压喷射注浆法的适用范围
    高压喷射注浆法的适用范围如下：（1）土质条件适用范围：主要适用于处理淤泥、
    淤泥质土、粘性土、粉土、黄土、砂质填土和碎石土等地基；（2）工程适用范围：高压喷射注浆法的适用范围很广，宜作为地基加固和基础防渗之用，而在桥梁工程中主要用于桥梁墩台基础的加固以及作为防渗帷幕、提高地基承载力。
     （一）加固机理
     高压喷射注浆的加固机理主要有如下三方面。
     1 高压喷射流对土体的破坏作用
     破坏土体结构强度的最主要因素是喷射动压。喷射流在终期区域能量衰减很大，不能直接冲击土体使土粒剥落，但能对有效射程的边界土产生挤压力，对四周土有压密作用，并使部分浆液进入土粒之间的孔隙里，使固结体与四周土紧密相依，不产生脱离现象。
     2 水，气同轴喷射流对土的破坏作用
     单射流虽然具有巨大的能量，但由于压力在土中急剧衰减，因此破坏土的有效射程较短致使旋喷固结体的直径较小。
     当在喷嘴出口的高压水喷射流的周围加上圆筒状空气射流，进行水，气同轴喷射时，空气流使水或浆的高压喷射流从破坏的土体上将土粒迅速吹散，使高压喷射流的喷射破坏条件得到改善，阻力大大减小，能量消耗降低，因而增大了高压喷射流的破坏能力，形成的旋喷固结的直径较大。高速空气具有防止高速射流动压急剧衰减的作用。
     3 水泥与水的固结机理
     水泥与水搅拌后，首先产生铝酸三钙水化物和氢氧化钙，它们可溶于水，但溶解度不高，很快就达到饱和，这种化学反应连续不断地进行，就析出一种胶质物体。这种胶质物体有一部分混在水中悬浮，后来就包围在水泥微粒的表面，形成一层胶凝薄膜。所生成的硅酸二钙水化物几乎不溶于水，只能以无定形的胶质包围在水泥微粒的表层，另一部分渗入水中。而由水泥各种成分所生成的胶凝膜，逐渐发展起来成为胶凝体，此时表现为水泥的初凝状态，开始有胶粘的性质。此后，水泥各成分在不缺水，不干涸的情况下，继续不断按上述水化程序发展，增强和扩大，从而产生下列现象：（1）胶凝体增大并吸收水分，使凝固加速，结合更密；（2）由于微晶的产生进而生出结晶体，结晶体与胶凝体相互包围渗透并达到一种稳定状态，这就是硬化的开始；（3）水化作用继续深入到水泥微粒内部，是未水化部分再参加以上的化学反应，直到完全没有水分以及胶质凝固和结晶充盈为止。但无论水化时间持续多久，很难将水泥微粒内核全部水化，所以水化过程是一个长久过程。加固后的土体固结强度高，质量略大，渗透系数小
     （二）施喷法加固墩台基础的设计
    用喷射法加固桥梁墩台基础，一般是因为墩台基础在设计时或施工中存在某些缺陷，对地基的承载能力估计不足，已发生桥梁正常使用时不允许的下沉。或者说因为使用条件改变如荷载等级提高，使其地基承载能力不能适应。加固的方法一般都是在墩台基础的襟边或底版下钻孔，施喷成圆桩体，并和原地基连成整体，增加地基的承载力，达到加固的目的。
    用施喷法对旧桥墩台进行加固时，与前述其他加固方法情况相同，原有桥梁的全部重力都是已压在原有地基上的。地基是在承受着构筑物已有的全部重力的情况下进行加固施工的。因此，若被加固的桥梁构筑物没有受到新的荷载作用，施喷固结体最初是几乎不受力的。只是由于时间的推移，原有地层在恒压力的作用下，土体产生徐变或滑移，使原土体承受的一部分压力转移到刚性较大的旋喷固结体上，但这种转移是不大的。因此，只有构筑物新增加荷载时，才为旋喷固结体所承受。
    总的来说，用旋喷法加固后的地基，具有下列特点：固结体和原土层共同受力；固结体的变形模量较土层大很多倍；固结体和土体的受力在时间上不同步。一般是土体已达到或接近其极限强度以后，固结体才进入工作状态。
     由于这些特点的存在，旧桥墩台基础用旋喷法加固设计计算可参照下述进行。
     1对加固前墩台基础承载能力进行计算
     墩台基础的加固，大体上可分为两种情况：一种是桥结构正在建造或运用过程中。基础发生较大的均匀或不均匀下沉，已危及桥梁结构的正常使用；另一种是目前使用状况良好，但考虑到桥梁要通过更大载重的车辆，地基承载力不能满足进一步发展的需求。两种情况对原有地基的极限承载力的估算方法是有所不同的。
     1）对目前已不能满足使用要求的桥梁构筑物地基承载力的估算方法
     对已发生病害的墩台基础，在加固前除收集有关工程设计所需的各项资料外，还应对工程的病害历史和现状进行调查分析。根据病害发生，发展的程度，推算出现有地基的承载能力。
    如现有地基承受的荷重为W1，基础底面积为A，则基础底面积现有应力σ为：
    σ =W1/A
    由于基础已发生下沉并危及正常使用，因此地基的现有应力必然已经超过地基的极限承载能力，则地基实有的极限承载力（σ0）肯定较σ值小：
    σ0 =α*σ
    式中：α——称为现有地基支承系数（α<1.0），视病害程度，α取0.8~0.95之间。
    对下沉较小或目前已基本稳定的地基，加固后原土层的承载力，建议取σ0=0.95（W/A）；对下沉速度很快或下沉正在迅速发展的地基，其原有土层的承载力可取σ0=0.8（W/A）；一般情况下，则介于两者之间。
     2) 对于目前没有病害仅为提高荷载等级需加固的地基承载力确定方法
    对于目前没有病害，仅为提高桥梁荷载等级而需加固的桥梁墩台基础，其地基承载能力的确定有如下两种方法：一是按地质钻孔或土工试验所给出的土体板限强度σ0；二是依据规范提出的“经过多次压实，未受破坏的旧桥基”其允许承载力可给予提到的方法确定。
    2 旋喷法加固危及正常使用的桥梁墩台基础的设计计算
    采用旋喷法加固危及正常使用的桥梁墩台基础时，其设计计算可按下列步骤进行：
     （1）用地质钻探的方法确定基岩或硬层的埋藏深度，决定旋喷固结体的性质。若基岩较浅，则可设计为支承桩；若基岩较深，则可设计为摩擦桩。
    （2）在现场选取各层土样，按加固需要和现场可能达到的水泥，土，水三者之比进行配方试验，决定固结体材料强度σ桩。
    （3）计算加固所必需的固结总面积A桩：
    A桩=W1-σ0A/（σ桩/K1）-σ0
    式中：K1——桩柱的安全系数，一般按桩基采用K1=2.0。
    也可使用正常的地基加固验算方法：
    A桩=K2W1-σ0A/σ桩-σ0
    式中：K2——地基承载安全系数，由于桥梁墩台是以恒载为主的建筑物，而且σ0又比较确切，因此K2可以比有关规范值略小，建议K2=1.5~1.3。
    （4）旋喷注浆加固总面积A桩求得以后，可以试验或经验公式法确定旋喷固结
    体的有效直径（D）。
    如采用单管法，对0〈N≤5cm的粘性土：
    D=1.3（1/2- N2/200）
    对5〈N〈15砂性土：
    D=1/700（350+10N-N2）
    式中：D——有效直径，m：
     N——土的标准贯入度。
    有了直径便可算出加固所需的旋喷桩桩数n:
    n =A桩/F =A桩/0.25πD2 =1.273A桩/D2
    （5）旋喷桩数算出后，即可进行孔位的布置。
    3 旋喷法加固未发生病变而为提高荷载等级的墩台基础的设计计算
    当采用旋喷法加固未发生病变而为提高荷载等级的墩台基础时，其设计计算步骤如下。
    （1）  定出桥梁结构物将来使用时所需支承的最大荷载W最大。
    （2）  标出现在加固前地基所承受的荷载W现在。
    （3）  假定加固后结构新增加的荷载全部由固结体所承受：
    W桩 =W最大-W现在
    （4）  加固所需的桩柱的总面积：
    
    A桩= W最大-W现在/σ桩/K3
    式中：K3——加固固结体的安全系数，建议取K3=2.0；
     σ桩——固结体的抗压板限强度，按配方试验或现场承载力试验确定。
    （5）  所需固结体总面积确定后，即可决定固结体的有效直径D。
    如采用单管法，对0〈N≤5cm的粘性土：
    D=1.3（1/2- N2/200）
    对5〈N〈15砂性土：
    D=1/700（350+10N-N2）
    式中：D——有效直径，m：
    （6）  决定桩数n:
    n =1.273A桩/D2
    （7）  进行桩位布置。
    （三）旋喷法加固桥梁墩台基础的施工
    1. 施工机具设备
    高压喷射注浆的施工机具及设备由高压发生装置、钻机注浆、特种钻杆和高压管路等组成。
    注浆特种钻杆包括单管、二重管、三重管及多重管，均由导流器、钻杆和喷头三部分组成。
    单管导流器喷管的总进口安装在钻杆的顶部，其作用是把不能转动的高压胶管和要旋转的钻杆喷头连接起来，并把高压浆液无渗漏地从胶管输送给钻杆喷头。
    二重管的导流器有两个通道，分别将浆液和压缩空气输送到钻杆内，旋喷作业时，外壳不动，芯管随钻杆转动。
    三重管导流器外壳有三个卡口式活接头，通过软管与高压泵、空压机、泥浆泵连接。
    2. 施工程序和操作要点
    采用旋喷注浆法加固桥梁墩台基础施工的一般程序为：钻机就位、钻孔、插管、旋喷作业、冲洗等五道。
    旋喷施工的操作要点如下： 
    （1）  旋喷前检查高压设备和管路系统，其压力和流量必须满足设计要求。
    （2）  垂直施工时，钻机的倾斜度一般不得大于1.5%。
    （3）  在插管和旋喷过程中，要注意防止喷嘴被堵，在拆卸或安装注浆管时动作要
    快。
    （4）  旋喷时，要做好压力、流量和喷浆量的量测工作 ，并按要求逐项记录。
    （5）  拆卸钻杆继续旋喷时，要注意保持钻杆有0.1m的搭接长度，不得使旋喷固结体脱节。
    加固实例：
    本单位现在建奉化三高连接线应部分桥梁座落在软基段，因此需对桥梁下部进行加固，以本工程AK5+297中桥为例。
    工程概况：
    1.1、本工程的水泥搅拌桩处理集中在AK5+291（AK5+314）中桥的桥头两端，处理方式为水泥搅拌桩结合土工格栅处理方式，水泥搅拌桩直径50cm，处理深度为7m，间距有1.5m、2.0m，水泥用量为50kg/m。主要工程量情况分布见下表：
    路段桩号 碎石垫层
    （m3） 预压与超载预压
    （m3） Φ50水泥搅拌桩
    (m) 土工格栅
    (m2) 备注
    AK5+242～AK5+262  288 415 2254 668 左桥头加固段
    AK5+242～AK5+265  331 478 1428 768 右路桥过度段
    AK5+265～AK5+285  288 415 2254 668 右桥头加固段
    AK5+319～AK5+339  315 415 2100 722 左桥头加固段
    AK5+339～AK5+362  362 478 1368 830 左路桥过度段
    AK5+342～AK5+362  315 415 2100 722 右桥加固段
    地质条件：
    属滨海淤积平原，表层为1.5m左右的硬壳层，以下为淤泥，厚度5～8米左右，以下为硬塑性粘土、中～密实的碎石层、含砾亚粘土，性质较好～好，底部为基岩，性质较好。
    水泥搅拌桩施工工艺：
    采用二次喷浆、四次搅拌的施工工艺，提升搅拌速率不大于1.0m/min，下沉速率不大于0.8m/min。
    其成桩工序包括：放样定位、开挖基槽、桩机就位、预搅下沉、注浆提升搅拌、重复搅拌等各个环节。
    工艺流程见下图：
    桩机就位
    预搅下沉
    提升注浆搅拌
    复搅下沉
    提升搅拌注余浆
    清洗、移位
    制备灰浆
    其主要工艺：
    1、定位：深层搅拌桩机移到指定桩位，对中并使桩机保持水平。
    2、预搅下沉：待深层搅拌机的水循环正常后，起动搅拌桩机切土下沉，下沉速度由作业电机的电流控制，工作电流不能大于70A。
    3、制备水泥浆：待深层搅拌桩下沉到一定深度时，即开始按设计确定的配合比拌制水泥浆，每根桩水泥浆可分数次拌制，并在压浆前将水泥浆及时放入集料斗中，保证水泥浆不离析。
    4、提升喷浆搅拌：深层搅拌下沉到设计深度时，开启灰浆泵，将水泥浆压入地基中，在桩底坐浆30秒，并边喷边搅拌，同时严格按照试桩确定的提定的提长速度提长搅拌机轴。
    4、重复下沉搅拌：深层搅拌机轴提各到桩顶标高时，集料斗中的水泥浆应排空，为使软土层和水泥浆充分搅拌均匀，再次将搅拌机轴边搅拌边钻入土中至设计深度后，再将搅拌机重复以上工艺。
    深层搅拌桩施工：
    1、水泥搅拌桩所用水泥标号为p.o32.5号，施工前将水泥生产厂家的质检单送交监理工程师，经同意后使用。正式开工前，在路基以外打入一组试验桩，试验桩为两根，水泥掺入量为50kg/延米。在打入试验桩的过程中注意：
    a、检验机具性能和施工工艺各项技术参数，并进行实际标定，有关技术参数及时提供现场监理工程师，以作为控制水泥搅拌桩质量的依据。
    b、对试验桩进行单桩承载力和复合地基承载力测试，有关测试事宜提前与设计人联系。
    c、试验桩所用水泥与施工所用水泥一致。
    d、水泥搅拌桩机需配备电子记录设备。
    e、检验机具性能和施工工艺各项技术参数，并进行实际标定，有关技术参数及时提供现场监理工程师，以作为控制搅拌桩质量的依据。
    2、深层水泥搅拌桩施工前，对现场施工大致找平。软基处理范围如有地下管线，及时与有关单位联系管线迁移事宜，管线迁移完毕后再进行施工。如管线不能迁移，需报验，避免在管线位置上施工。
    3、水泥搅拌桩在施工前做好机具准备，参照《软土地基深层旋喷加固法技术规程》所规定的程序上报。
    4、灰浆泵输浆量，灰浆经输浆管到达喷浆口时间以及钻头起吊提升速度按试验标定参数进行。
    5、泥浆制备时必须根据实验桩所确定的工艺参数及刻度尺寸进行，严格按设计要求的水灰比进行施工。
    6、  灰浆泵输浆量，灰浆经输浆管到达喷浆口时间以及起吊提升速度按试验标定参数进行。
    7、  搅拌桩下沉时一般不应冲水，当个别土层较硬搅拌下沉太慢时，可少量加水，凡经输浆管冲水下沉的水泥搅拌桩，喷浆提升前必须将喷浆管内的水排清。
    8 、前台操作与后台供浆应密切配合，前台搅拌机喷浆提升的次数和速度与试验桩已标定的施工工艺参数相吻合。当后台供浆停机时，及时通知前台，以防止断桩和缺浆，并使搅拌桩机下沉至停浆点以下0.5m，待恢复供浆时再喷浆提升。停机后3小时，将输浆管拆下，妥为清洗。
    9、当搅拌桩桩顶接近设计标高时，应特别注意桩头的施工质量，搅拌机自地面以下1m喷浆搅拌提升出地面时，宜应慢速，当喷浆口离地面0.5m时，宜停止提升，搅拌10秒-20秒，以保证桩头密实均匀。
    10、水泥搅拌桩施工时施工现场合理设置排水沟，将废弃泥浆由排水沟排至指定位置，防止污染周边环境。施工时应注意合理安排时间，尽量避免夜间施工，减少噪音对附近居民的影响。
    11、水泥搅拌桩施工完毕养护一个月，经检测合格后开始铺筑50cm碎石垫层，首先施工下层30cm，然后铺筑一道TGS80-60土工格栅，再施工上层20cm碎石，然后从第二层起，按路基要求填筑至路基定面，再按S4-6设计规定高度堆载预压高度堆载预压。
    3.7灌浆法
     灌浆法创始于1802年，法国工程师采用灌注黏土和水硬石灰浆的方法修复了一座受冲刷的水闸。此后，灌浆法已成为地基加固中的一种广泛使用的方法。
    灌浆法是指利用液压，气压或化学原理通过注浆管把浆液均匀地注入桥梁地基中，浆液以填充，渗透和桥密等方式，赶走土粒间或岩石裂隙中的水分和空气后占据其位置，经人工控制一定时间后，浆液将原来松散的土粒或裂隙胶成一个整体，形成一个结构新，强度大，防水性能好和化学稳定性良好的“结石体”
    （一）灌浆材料
    灌浆工程中所用的浆液是由主剂、溶剂及各种外加剂混合而成，通常所指的灌浆材料，是指浆液中所指的主剂。
    灌浆材料常分为粒状浆材和化学浆材两个系统。
    粒状浆材主要包括纯水泥浆、粘土水泥浆及水泥砂浆三种，这些浆材容易取得，成本低廉，故在桥梁墩台基础加固中应用较多。为了改善粒状浆材的性质，以适应各种自然条件和不同灌浆目的的需要，还常在浆液中掺入各种外加剂。
     （1）水泥。灌浆工程中应用最广泛的是普通硅酸盐水泥，某些特殊条件下还采用矿渣水泥，火山灰水和抗硫酸盐水泥等。
     （2）水的作用和要求。水的作用有两种：一是将固态水泥变成悬浮液，以供灌注；二是对水泥颗粒水解和水化，使化合物形成晶体并相互结合成网状结构，从而把水泥浆逐渐形成具有一定力学强度的结石。
     （3）砂的作用和要求。在较大的孔隙和裂隙中灌注浆时，常在水泥浆中加砂以形成经济的浆液。有时为了防止浆液扩散过远，还可用掺砂的方法提高浆液的固体含量和降低其含水量，从而使浆液获得较高的摩擦剪切强度。
     化学浆材的品种很多，包括环氧树脂类，甲基丙烯酸酯类，聚氨脂类，丙烯胺类，水质素类和硅酸盐类等。
     （二）灌浆分类
     根据灌浆机理，灌浆法可分为下述几类：
     1 渗入性灌浆
    在灌浆压力作用下，灌液克服各种阻力，渗入桥梁地基的孔隙或裂缝中，地基土层结构基本不受扰动和破坏。渗入性灌浆适用于存在孔隙或裂缝的地基土层，如砂石地基等。对颗粒型浆液，其颗粒尺寸必须能进入孔隙或裂缝中，因此存在可灌性问题。可灌性用可灌比值 表示，对沙砾石地基：
     N=D15/d85<10~15
    式中：D15——沙砾石中含量为15%的颗粒尺寸
     d85——灌浆材料中含量为85%的颗粒尺寸
     也可用渗透系数 来间接评价：当K>(2~3)*10-1cm/s时，可用水泥浆液；当K〉（5~6）*10-2时，可用水泥黏土浆。
     另外，浆液的黏度对渗入性灌浆影响较大。粘度越大，其流动阻力也越大。因此，需要较高的压力以克服其流动阻力，而且只能灌注较大的孔隙尺寸。除丙凝等少数浆液外，多数浆液的粘度随时间而增加，在灌浆过程中应于重视。
     在渗入性灌浆中，影响浆液扩散范围的因素有地基地层的渗透系数，浆液的粘度，灌浆压力，灌注时间等。各国学者对灌浆浆液扩散范围提出许多计算理论，如球形扩散理论，柱形扩散理论和袖阀管理论等。上述理论对天然地层都做了一些简化，而天然地层情况往往较复杂，故在桥梁墩台基础加固工程中，一般还是以现场灌浆试验确定灌浆压力，灌浆时间和浆液扩散范围的关系，并从技术和经济方面综合分析，作出灌浆设计。
     2 劈裂灌浆
     依靠较高的灌浆压力，使浆液能克服地基中初使应力和土体抗拉强度，使土体沿垂直于小主应力的平面或土体强度最弱的平面上发生劈裂，使渗入性灌浆不可灌的土体可顺利灌浆，增大浆液扩散范围，达到地基加固目的。
     对岩石地基，目前常用的灌浆压力尚不能使新鲜岩体产生劈裂，主要是使原有隐裂缝或微细裂缝产生扩张。
     对于沙砾石地基，其透水性较大，浆液渗入浆引起超静水压力，到一定深度后将引起沙砾石层的见剪切破坏，土体产生劈裂。
     对粘性土地基，在具有较高灌浆压力的浆液作用下，土体可能沿垂直于小主应力的平面产生劈裂，浆液沿劈裂面扩散，并使劈裂面延伸.在荷载作用下，地基中各点小主应方向是变化的，而且应力水平不同。在劈裂灌浆中，劈裂缝的发展走向较难估计。
     3 压密灌浆
     在地基中灌入较浓的浆液，浆液迫使注浆附近土体压密而形成浆泡。开始灌浆压力基本上沿径向扩散，随着浆泡的扩大，灌浆压力的增大，便会发生较大的上抬力。压密灌浆形成的上抬力能使地面上抬，或使下沉的桥梁墩台回升。压密灌浆是用浓浆液置换和挤密土体的过程。
     压密灌浆常用于砂土地基，粘土地基中若有较好的排水条件也可采用压密灌浆。
     压密灌浆形成的浆泡形状与土的物理力学性质，地基土的均匀性,灌浆压力,灌浆速度等有关.浆泡形状在均质地基中长为球行或圆柱状,浆炮横截面直径可达1.0米或更大.离浆泡截面0.2~0.3米以内土体能受到明显的挤密.
     4 电动化学灌浆
     在地基中插入金属电极并通过直流电,在电场作用下,土中水会从阳极向阴极流动,这种现象称为电渗.借助于电渗作用,在粘土地基中即使不采用灌浆压力,也能靠直流电将浆液注入土体,或者将浆液依靠灌浆压力注入电渗区,通过电渗使浆液扩散均匀,提高灌浆效果.
     (三)灌浆设计
     灌浆设计一般包括下列内容
     1 地质调查
     探明需处理和加固的桥梁墩台基础处地基的地质和水文情况.
     2 选择灌浆方案
     根据地质,水文情况以及灌浆目的和要求,初步选择灌浆方案.
     灌浆目的主要指:是以降低土的渗透性达到防渗,堵漏的目的;还是以提高土的强度和变形模量达到提高地基承载力和减小沉降的目的.另外,还有通过灌浆使已发生不均匀沉降达到纠偏的目的.
     灌浆方案包括;灌浆加固处理范围,灌浆材料和灌浆方法等.灌浆材料一般应优先考虑水泥系浆材.
     灌浆方案确定后,通过灌浆试验确定相应的浆材配合以及灌浆工艺.
     3 确定灌浆孔位置
     灌浆孔径位置包括布置形式和孔距.根据灌浆目的和灌浆试验得到的灌浆有效范围确定灌浆孔位置,通过合理布孔以获得较好的经济效益.
     4 确定灌浆压力
     通常通过工程经验和灌浆试验确定.
    (四)灌浆施工
    1. 施工中主要技术参数确定
     硅化加固法有：无压硅化、压力硅化和电动硅化。压力硅化又分单液硅化和双液硅化,单动硅化则为双液硅化.各种硅化法的适用范围视所加固桥梁墩台地基土的渗透系数而异
     (1)不同渗透系数土的硅化加固半径和溶液灌注速度,硅化后抗压强度等
     (2)压力硅化法的压力:压力硅化法灌注溶液的压力,一般不超过0.3MPa,不能过高,以免溶液流散;宜采用低压慢灌,以保证质量.
     (3)孔位布置:孔位布置应能使被加固土体在平面和深度范围内连成一个整体,每边超出基础底面宽度不小于0.5米,以平面呈三角形,间距为1.73V/cm;排距为1.5R 为宜.
     (4)电动硅化法的电压梯度:采用电动硅化时,直流电源的电压梯度宜为0.5~0.75V/cm;如用钢筋作为电极棒时,其直径不得小于22毫米.
     2 材料要求和用量
    一般水玻璃模数宜为2.5~3.3,不溶于水的杂质含量不得超过2%,颜色为透明或稍带浑浊;氯化钙溶液pH值不得小于5.5~6.0,每一升溶液中杂质不得超过60克,悬浮颗粒不得超过1%,溶液总用量可按下式计算
    :
    Q=1000KVn
    式中：Q——溶液总用量,L;
    V——硅化土的体积,m3;
    n——土的空隙率;
     K——经验系数,液塑~软塑状粘质土,细纱, k=0.3~0.5;中砂,粗砂, k=0.5~0.7;
     砾砂, k=0.7~1.0;湿陷性黄土, k=0.5~0.8.
    3 硅化法所需机具设备
     采用硅化法作桥梁墩台基础加固施工时,所需机具设备大致如下.
     (1)注液管:注液管由内径20~50毫米,壁厚不少于5毫米的钢管制成,包括管尖,有孔管和无孔接长管三部分.管尖是一个25度~30度的圆锥体,尾部带有丝扣,与有孔管连接;有孔管一般长0.4~1.0米,每米长度内应有孔眼60~80个,孔眼宜加工成喇叭口形,直径为1~3毫米,分四排交错排列;无孔接长管一般长1.5~2.0米,两端有丝扣,可根据需要接长.
     (2)齿轮汞和空气压缩设备:应能在0.6MPA的压力内,向每个注液管以5~10L/MIN的速度供应溶液;输送溶液和输送压缩空气的胶管,软管和注液用的连接部,阀等,其规格应能适应灌注溶液所采用的压力.
     (3)达孔设备:采用震动打拔管机,振动钻或三角架穿心锤,锤的质量为25~30千克,此外还应配备拔管设备,冲洗管道的水汞及带有喷嘴的胶管.
     (4)其他:溶液搅拌设备和盛放溶液的桶以及压力表,温度计,比重计算.采用电动硅化化法时,还应配备直流电源设备以及电路所需设备.
     4硅化法加固施工灌液操作工序
     硅化法灌液操作工序分:打管,冲管,试水,灌液和拔管等五道工序.
     (1)打管:设置注液管和电极棒宜采用打入法.如土层较深,宜事先钻孔至所需加固区域顶面以上2~3米,钻孔的孔径小于注液管和电极棒的外径,然后再进行打入.
     (2)冲管:打管时不免有沙子进入孔管的孔眼中,故下官过程要铺业灌水,以防填塞.用冲洗管放入注液管内,接上汞后压水冲洗,使管内杂质随水顺管口溢出,直到水变清为止.
     (3)试水:冲洗干净后,装上混合器用汞试水,以便浆液顺利流入.并借此了解土的渗透系数,调整浆液配合比,检查汞及管路运行情况.
     (4)灌液:先用土或水泥,水玻璃混合料封闭溶液管壁与地面交接处,以防灌液时溶液沿管外壁上冒流窜,然后立即向土中灌注浆液.灌注初始压力宜小,随加固深度增加而增加,每深一米,压力增加20~50PA.注意,灌注速度对加固能否形成坚实整体影响很大,应严格控制,均匀灌入.
     (5)拔管:灌注完后，应随即拔出注液管，一般不要超过半天，拔出管后要及时刷洗注液管等以便保持通畅洁净。拔出注液管后土中所留下的孔洞，应用1：5水泥砂浆填塞。
     （五）灌浆效果及检验
     在桥梁基础的地基中进行渗入性灌浆，劈裂灌浆可以改善土体性质，提高地基承载力和改善压缩性能。当进行压密注浆时，可使地基土压密并可使桥梁基础承受较大的上台力，还可以通过注浆达到部分纠偏的效果。在桥梁基础的地基中注浆，通过合理布孔，并重视灌浆的不可控性。在注浆过程中浆液一般是向低应力区渗流的，在桥梁基础下注浆，通过合理布孔，控制注浆压力防止浆液流失，在四周通过高压喷射注浆法设置防渗墙或设置板桩墙
     灌浆技术也可应用来改善桩侧和桩端土的性质，提高桩侧土摩阻力和桩端土的端承里3，从而提高桥梁桩基承载力
     先在软基中造桩，后对桩侧进行压力灌浆，通过预埋灌浆管压入浆液自桩底向上扩展，并在桩周围形成一层浆壳和许多伸入土层中的浆脉，使桩身与周围土体之间的摩擦力提高。也可对桩端土体进行压力灌浆，提高桩端土承载力。应用灌浆技术提高桩承载力既可应用于制桩，也可应用于处理已有桩基病害，技术效果较好，经济效益显著。
    灌浆效果检验视灌浆目的的不同而异。以堵漏和纠偏为目的的灌浆加固，在施工过程中是否已达到目的就是最好的效果检验；以防渗为目的的灌浆加固，其工程效果检验，除灌浆质量应符合设计要求和施工规范外，还要通过现场渗透试验来检验其效果；以提高地基承载力和变形模量为目的的灌浆加固，除检验其灌浆质量外，还需通过原来试验和荷载试验检验加固效果。
    3.8桥梁墩台基础改造
    为了提高桥梁的通过能力，往往需要对旧桥采取拓宽措施。随着上部结构的拓宽，必将要求加宽原有墩台基础。同时，由于设计考虑不周、台背高填土和基础承载力不足等原因，使桥台或桥墩产生不同程度的沉陷，从而影响桥跨结构的正常使用。为此，亦需相应加高桥梁墩台。
    墩台的加高
    桥梁墩台产生沦陷，严重时影响桥下净空，甚至会阻碍通航；另外，由于墩台的沉降，会使桥梁产生不均匀受力，出现局部破坏，恶化了上部结构的受力状态，影响桥梁的正常使用。
    1.  墩台加高的施工顺序
    1）施工准备
    墩台加高施工的准备工作如下：
    （1）进行详细的调查研究，测定沉降量，了解旧桥墩台的下沉情况，从而确定施工方案。
    （2）根据确定的施工方案，做好施工场地及施工机具的准备工作。
    （3）浇筑预制钢筋混凝土垫块。
    （4）桥上如有公用事业单位饿各种管线，必须事先采取相应措施。
    （5）把边孔桥面两端，桥台与桥墩两处的伸缩缝处凿开，并清扫干净。
    （6）搭设井架，安装油泵。
    2）顶升桥梁加高墩台
     在以上各项准备工作就绪并试顶后，即可进行桥面全面顶升。
    2.  墩台基础加高的施工方法及其注意事项
    桥梁顶升施工中，应区别不同的情况采用不同的反复同时注意以下四个方面。
    （1）对不同形式的桥梁采用不同的顶升方法。
    （2）千斤顶的安置一定要竖直，不能倾斜。
    （3）因桥台沉陷引起的梁纵向位移，如需进行矫正时，一般可采用桥下顶升矫正法，扒杆起吊矫正法或桥上顶升矫正法。
    （4）桥梁横向位移及顶升罚，在墩台加高改建中，有时还可以把旧桥顶升并进行横向位移