U型桥台常见裂缝产生原因及加固方法研究

刘家庆，李昌锋

(1.广西浦信高速公路有限公司，广西 南宁 530000；2.广西桂通工程咨询有限公司，广西 南宁 530028)

0 引言

梁桥和拱桥上常用的重力式桥台为U型桥台，台身由前墙和两个侧墙构成U字形结构，故称为U型桥台。U型桥台主要靠自身重量来平衡外力，所以台身厚重，一般用混凝土或片、块石砌筑。得益于结构的良好整体性，以及充足的强度、刚度和稳定性，而且构造简单，施工便利，U型桥台成为目前公路桥梁最常见的桥台形式。U型桥台地基承载应力均匀，外观简洁，在我国被广泛应用于地质良好的中、小桥。由于设计考虑不周和施工方法不当等原因，工程实践中经常出现桥台台身或台内路面的开裂、侧墙倾斜外移、前墙发生裂缝、锥坡沉陷坍塌、桥台基础被掏空等病害，严重时甚至无法使用。

本文针对U型桥台裂缝病害，从裂缝外在形态特点出发分析病害产生的原因，并进一步展开了相应的加固处治对策研究。

1 U型桥台常见裂缝病害特点

U型桥台裂缝按其产生原因可以分为两大类：非结构受力裂缝；结构受力裂缝。

1.1 非结构受力裂缝

此类裂缝主要是由混凝土收缩引起，通常呈现网状裂缝分布，裂缝分布位置、长短没有规律，常见分布于桥台前墙、侧墙。非结构受力裂缝要通过检测仪器才能量测，这种裂缝分布不规则，对结构物的结构安全影响不大，但影响外观质量以及耐久性。

1.2 结构受力裂缝

结构受力裂缝根据裂缝部位不同可分为桥台前墙竖向裂缝、横向裂缝、斜向裂缝，侧墙斜向裂缝、竖向裂缝，背墙横向裂缝、竖向裂缝、斜向裂缝，前墙和侧墙贯通的斜向裂缝。下面对裂缝产生部位及方向分别进行归纳阐述。

1.2.1 前墙竖向裂缝

桥台前墙竖向裂缝通常从基础底部往上发展，多数裂缝贯通整个桥台，裂缝较宽，呈现下宽上窄分布特点，同时伴随有错台趋势，地基有不均匀沉降迹象，对于表面封闭过的竖向裂缝，往往会重新开裂。

1.2.2 前墙横向、斜向裂缝

桥台前墙横向、斜向裂缝多见于前墙顶部，距离台帽0～2 m范围不等，横向分布长度不一，基本延伸至桥台边缘，伴随有破碎、断裂迹象，有错台趋势，敲击裂缝以上部位，声音较沉，形成断裂块。

1.2.3 侧墙斜向裂缝

桥台侧墙斜向裂缝为U型桥台较为常见的裂缝病害，多数桥台存在此类病害，根据病害严重程度不同，裂缝长短不一。裂缝多数从台帽处展开，向下延伸，裂缝宽度呈现上宽下窄。根据病害产生的原因不同，裂缝延伸方向有向后延伸和向前延伸，向前延伸的裂缝多数开展至前墙或接近前墙，向后延伸裂缝基本顺着前墙与侧墙交界处发展。

1.2.4 侧墙竖向裂缝

桥台侧墙竖向裂缝基本是从顶部发展，位于背墙交界处往台后部分，呈现上宽下窄的裂缝宽度特点，多数有渗水痕迹，裂缝宽度较大，超过《公路桥涵养护规范》(JTG H11-2004)规定的缝宽限值[1](0.3 mm)。

1.2.5 背墙裂缝

桥台背墙横向裂缝一般较宽，能达到厘米级，裂缝长度较长，基本位于同一高度分布，形成断裂块，裂缝伴随有渗水迹象，多见于高背墙结构。背墙斜向裂缝多见于背墙端部，位于前侧或者外侧，裂缝宽度较大，超过《公路桥涵养护规范》(JTG H11-2004)规定的缝宽限值(0.3 mm)。背墙竖向裂缝多数位于外侧，裂缝宽度较大，达到厘米级，缝宽超限。

1.2.6 综合性裂缝

桥台综合性裂缝产生于多个结构相互连通，或者同一构件存在多种裂缝交错，如前墙横向裂缝与斜向裂缝连通，前墙裂缝与侧墙裂缝连通，背墙裂缝与侧墙裂缝贯通。此类裂缝宽度较大，基本达到厘米级，连通裂缝致使桥台形成断裂块，严重影响桥台结构的使用。

2 U型桥台常见裂缝成因分析

造成U型桥台产生裂缝的原因较多，包括材料本身特性、施工、设计、设计外非对称荷载作用等，不同类型的裂缝产生原因不一样。现根据不同裂缝类型对其产生原因进行分析。

2.1 非结构受力裂缝成因分析

此类裂缝多数形成于施工初期，重力式U型混凝土桥台属于大体积混凝土浇筑范畴，水化热聚集在结构内部不易消失。对设计而言需要有必要的防裂构造钢筋，对施工而言，如果混凝土养生不到位，没有采取分层浇筑、掺入合理的添加剂等控制大体积水化热的措施，那么在混凝土收缩作用下，在混凝土表面会产生网状裂缝，属于非结构受力。对于向阳面的侧墙，由于热胀冷缩，在温度梯度作用下结构自身不均匀收缩膨胀变形也会导致表面产生不规则的网状裂缝[2]。

2.2 结构受力裂缝成因分析

2.2.1 前墙竖向贯通裂缝

前墙竖向贯通裂缝主要是由于基础地基产生不均匀沉降，基础底面受力不均匀，产生过大的拉应力，致使桥台前墙开裂。

2.2.2 前墙横向、斜向裂缝

前墙横向、斜向裂缝往往伴随有混凝土破碎，根据现场检测，用锤敲击混凝土块，在裂缝边缘混凝土较破碎，敲击远离裂缝区，能听到沉闷的声音，凿除裂缝边缘混凝土，能发现混凝土块形成断裂面。产生此类裂缝的原因是混凝土浇筑质量较差，在车辆荷载冲击下前墙不断开裂并形成断裂块。

2.2.3 侧墙裂缝

侧墙斜向裂缝根据其延伸方向不同，可推断其产生的原因不同。对于向前墙延伸的斜向裂缝，主要也是由于混凝土浇筑质量较差引起。对于向台后延伸的斜向裂缝，其产生原因有两方面：(1)台后填土采用黏性土，土质较差，台后路面开裂后雨水渗入台后填料，台内排水不畅，积水导致台腔内填土强度指标降低，内摩擦角减小，从而使作用在台身的主动土压力增大，导致桥台开裂[3]；(2)部分桥台台后路面下沉，台后路面的不平整引起桥台处车辆跳车，对台帽产生较大的冲击力，导致桥台侧墙产生裂缝。

2.2.4 背墙横向裂缝

背墙横向裂缝多产生于高背墙结构，对于上构采用T梁的桥台，由于梁高较高，背墙相应也较高，如果背墙设计仍然采用与普通背墙一样的配筋，势必难以满足要求，若伸缩缝存在高差，在车辆冲击作用下，背墙很容易开裂。

2.2.5 综合性裂缝

桥台综合性裂缝产生原因较为复杂，存在前面几种因素的一种或几种，需要根据具体裂缝特点进行综合分析。

3 U型桥台加固对策

分析上述现象中裂缝产生的原因，对U型桥台产生的裂缝，应当根据具体的原因进行分类处置。

3.1 砂浆涂抹、灌注等预防、维护性修补

这种处理方法主要是针对非结构裂缝及结构裂缝的辅助综合处理，用于提高结构物外观质量和耐久性，防止雨水渗漏及二氧化碳腐蚀。

3.2 增强地基承载力

因基础地基不均匀沉降引起的裂缝，应当以增强地基承载力作为首要目标，可以采用换填、扩基、高压旋喷或基础注浆法。为不中断交通，在工程实践中多采用注浆法，通过渗透、填充、置换、挤密等一系列流程，达到增强地基承载力的目的。

3.3 灌浆处理法

对于车辆的循环动荷载作用以及之前施工未分层压实等原因造成的桥台下沉，会导致桥台跳车以及严重的路面开裂，这一方面会因桥台跳车等动力作用加强对台帽等局部结构的破坏，另一方面会进一步导致渗入台后的雨水无法及时排出，增大了侧墙的土压力，产生非对称荷载，导致桥台侧墙开裂。

处理此类裂缝处理的思路，可以从解决水的渗入和台后沉降，增强台身整体性等方面出发。(1)采用高压灌注环氧砂浆修复侧墙裂缝并灌浆，增加填料的密实度，对于浅层的灌浆还可以起到消除沉降差的作用；(2)在前墙底部附近增设带反滤层的排水孔疏导渗水，路肩附近台后填土布设排水通道；(3)在两侧墙间对穿预应力钢筋或钢筋束锚固侧墙从而达到增强桥台整体性的目的；(4)修补台帽局部破损和破损路面以封堵渗水源头。

3.4 植筋拉杆锚固

对于台帽等因伸缩缝引起的桥台跳车或混凝土施工强度不足等引起的局部裂缝，可以采用植筋加格构梁对穿预应力拉杆锚固的加固方案，同时还可以考虑采用无缝桥梁方案，从根本上减少甚至解决车辆荷载通过伸缩缝时的震动荷载。

3.5 粘贴钢板加固

对于桥台侧墙存在轻微斜向裂缝而未形成断裂块的病害，可以采用粘贴钢板，同时植入锚杆加固，对锚杆施加一定的预压力，以抑制侧墙斜向裂缝的发展，同时对桥台侧墙进行结构补强，提高其承载力。

3.6 其他方法

目前重力式桥台的其他加固方法主要有倒角法、预留缝法、钢筋混凝土圈梁法、前墙背后增设扶臂肋墙、前墙设置注浆锚杆、增大截面法等，而复合碳纤维加固U型高桥台还处于研究阶段。

4 工程应用案例

4.1 工程概况

某建成于2004年的一座4跨先简支后连续预应力混凝土梁桥，上部结构为3孔30 m预应力混凝土T形梁及1孔20 m预应力混凝土空心梁，桥台为重力式U型桥台采用明挖扩大基础，中间桥墩为双柱式墩采用明挖桩基础。经过多年运营后，2014年检测发现左幅0#桥台侧墙存在1道斜向裂缝，从台帽下缘距离前墙1.66 m处往前墙延伸，裂缝长2.42 m，宽0.3 mm。2016年检测发现斜向裂缝有发展趋势，影响桥台结构安全，于2016年对该桥台进行加固。侧墙裂缝病害如图1、图2所示。

4.2 桥台裂缝原因分析及加固

根据上述分析及现场勘查的情况，裂缝发生部位是侧墙，向前墙斜向发展，因路面状态较好，从路面处雨水渗入量小，经现场测量台后沉降较小，行车平顺，且经核查建设档案资料，台背回填良好，由此可以判断，主要原因为其浇筑质量欠缺，故混凝土耐久性不足，整体刚度下降，导致侧墙裂缝持续发展。

图1 桥台侧墙斜向裂缝示意图(单位：cm)

图2 桥台侧墙斜向裂缝现场图

为了不影响桥台结构的安全使用，控制侧墙裂缝进一步发展，对左幅0#桥台侧墙采用粘贴钢板加固，同时植入树脂锚杆。因侧墙开裂不排除此前渗水从此裂缝处进入，且原设计泄水考虑不足，故在桥台前墙底部预防性增设泄水孔。横向钢板从侧墙绕到前墙，在转角处弯折，在裂缝范围内粘贴4块横向钢板，钢板间距60 cm，宽40 cm，厚8 mm。同时在横向钢板外侧加竖向钢板作为压条，钢板间距60 cm，宽40 cm，厚8 mm，在横向钢板之间的缝隙加垫钢板。在横向钢板和竖向钢板交接处植入树脂锚杆，锚杆采用JL25精轧螺纹钢筋，在钢板其余部位植入M12螺栓，将横向钢板、竖向钢板和桥台有效连接，形成整体，共同受力。桥台加固如图3、图4所示。

图3 粘贴钢板加固示意图

图4 粘贴钢板加固现场施工图

4.3 桥台加固效果

桥台加固后，至今未见桥台侧墙裂缝再发展，加固效果良好，加固后现状见图5。

图5 桥台加固现场效果图

5 结语

(1)U型桥台裂缝按其产生原因可以分为两大类：一类是非结构受力裂缝，另一类是结构受力裂缝。

(2)非结构受力裂缝产生的直接原因是大体积混凝土施工的水化热和阳光照射不均的温度梯度，设计上没有布设或布设抗裂构造钢筋不充分。

(3)不同部位和发展方向的结构性裂缝经过裂缝外观分析可以得出：

桥台前墙竖向贯通裂缝通常主要是由于地基不均匀沉降产生；

前墙横向、斜向裂缝是由于混凝土浇筑质量较差，车辆冲击作用引起；

侧墙裂缝产生的原因有侧墙混凝土浇筑质量较差，台后填土质量较差，台后排水不畅，台后路面下沉、伸缩缝存在高差引起的车辆冲击作用等；

背墙横向裂缝主要是由于伸缩缝存在高差，车辆冲击引起。

(4)根据U型桥台常见裂缝成因，裂缝处置方法也应具体问题具体分析，从增强地基承载力，重建防排水通道体系，改善台后填筑质量，通过布设预应力锚固体系、使用高强新材料或者增大截面面积增强台身的整体性、刚度，以及重新改造桥面系等方面入手，予以综合性的处置。

(5)案例分析表明植筋拉杆锚固可以有效地减小桥台受力和位移效应，可因地制宜采用。

U型桥台在施工中裂缝成因多样，随着技术的发展，裂缝的控制研究涉及多学科交叉，需要工程技术人员在施工中不断摸索，不断总结经济实用的新工艺、新方法。

[1]JTG H11-2004，公路桥涵养护规范[S].

[2]刘建雄，吴美君.竖向开裂U型桥台加固方案探索与应用[J].湖南交通科技，2012(9)：96-99.

[3]李洪峰，陈世英，宗道明.大体积混凝土U型桥台裂缝的处理和防治[J].青海交通科技，2004(6)：28-30.