一种桥墩扩大基础加固结构及其施工方法
技术领域
本发明属于桥梁工程技术领域，尤其涉及一种桥墩扩大基础加固结构及其施工方法。
背景技术
扩大基础是将桥墩或桥台及上部结构传来的荷载由其直接传递至较浅的支承地基的一种基础形式，也称为明挖扩大基础或浅基础。该基础比桩基与土体的接触面积更大，所以单位面积对土体的作用力较小，对土层强度要求低，埋深较浅，具有结构形式简单、施工简便、成本低的特点，适用于岩层埋深非常深或非常浅的地质条件。在中小跨径桥梁，特别是石拱桥的基础结构中具有广泛的应用。
在服役环境，如强风、地震和重载交通等长期作用下，桥梁扩大基础普遍存在安全隐患。既有桥梁检测结果表明，河流冲刷作用下部分桥梁墩台基础有脱空现象，桥墩河床地面线到基础底部的间距过大，影响上部结构安全。桥墩基础脱空是桥梁工程中的常见病害，常见于上世纪修建的拱桥和中小跨径桥梁的桥墩基础，亟需检测和加固处理。
桥墩扩大基础加固方法主要有三种类型：薄弱构件加强法、增加辅助构件法和新型结构体系法，可参考西南交通大学硕士毕业论文“兰青线湟水河2号桥桥墩基础加固研究”。最常用和便捷的方法是薄弱构件加强法，即以增加构件截面面积的方式来增加原有基础的刚度和承载力，但加固后的整体受力特性和抗震性能较差，可参考陶诚等提出的“在役桥梁扩大基础承载力评价方法研究”文献。授权公告号为CN203701129U，名称为桥梁加固基础及桥梁的专利文献，采用了微形桩钻孔下端穿过所述扩大基础的底板的方案，但是桩基钻孔周期长，成本相对高。
目前，针对桥墩扩大基础局部冲刷问题，一般进行加固处理的方法有：扩大基础底板面积法、增补桩基础法和混凝土套箍法、高压旋喷注浆法等，可参考郭占平等提出的“浅基础加固的试验与研究”。比较常用的是采用扩大基础底板面积法加固施工，但在加固后的使用过程中，新增加的基础结构与现有扩大基础及地基之间的粘结性能会逐步退化，甚至发生剥离现象，长期使用后，扩大基础底板面积法的加固效果难以体现。为了解决此问题，工程师一般将原基础凿毛和刷洗干净，新增加一层高强度等级水泥浆或涂混凝土界面剂，以增加新、旧混凝土基础的粘结力。但是，在长期使用状态下，仍然存在结构交界面剥离现象，加固效果的耐久性不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种桥墩扩大基础加固结构及其施工方法，以解决现有技术中新增加的基础结构与现有扩大基础及地基之间的粘结性能退化、甚至剥离导致的加固效果不佳，耐久性不足等问题。
本发明独立权利要求的技术方案解决了上述发明目的中的一个或多个。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种桥墩扩大基础加固结构，包括桥墩以及设于所述桥墩下方的扩大基础，其特征是，在所述扩大基础或扩大基础和地基上方设有混凝土加固层，且所述混凝土加固层围绕桥墩外周设置；沿所述混凝土加固层的外周设置有截水墙；在所述混凝土加固层上设有多根导管，多根所述导管穿过混凝土加固层和/或混凝土加固层和扩大基础延伸至地基内。
本发明所述桥墩扩大基础加固结构，由混凝土加固层和截水墙连接形成环形结构，环形结构包围扩大基础，对扩大基础和扩大基础周边地基起到保护作用，避免了河流冲刷桥墩台基础，减少了桥梁墩台基础脱空部位的数量，同时增加原扩大基础的面积，使新基础的承载力更高；多根导管如同混凝土中的钢筋骨架，起到连接地基、扩大基础和混凝土加固层的作用，进一步提高了原有扩大基础的承载力，且通过导管可以注入注浆液体，注浆液体在脱空部位和/或基础孔隙中扩散形成网状凝固体，填补了脱空部位、地基孔隙及新-旧结构的交界面，确保了整个加固结构的稳固性，新-旧结构之间的粘结性，使新旧结构形成一个整体，进一步大大提高了加固结构的承载力和耐久性，同时有效地解决了常规加固结构因交界面剥离而导致受力不均的问题。
进一步地，多根所述导管呈多圈环状布置，所述扩大基础的每层台阶上均对应有一圈导管。多圈环状布置使注浆孔均匀分布，从而使注浆液体能够均匀压入到加固结构和/或地基中，实现脱空部位和/或地基孔隙的充分填充，避免了漏填充或填充不饱满的问题，提高了加固结构的稳固性。
进一步地，同一圈的相邻导管之间的间距小于1.8m，导管越密集越能保证所有脱空部位或地基孔隙被浆液填充，但考虑到施工机具的施工要求及导管浆液加固有效范围约为0.5~1.8m，同一圈上的相邻导管之间的间距应小于1.8m。
优选的，所述导管的直径为60~80mm，长度为5~7m，穿过扩大基础且位于地基内的导管部分的长度为2~3m。
进一步地，穿过所述扩大基础的导管平行于桥墩设置，未穿过所述扩大基础的导管的底端向内倾斜设置；优选的，倾斜设置的所述导管与桥墩之间的夹角为45°~60°。
倾斜设置的导管延伸至扩大基础底部的地基内，便于填充扩大基础底部的脱空部位或地基孔隙，提高了桥墩底部基础结构的承载力，更有利于提高桥墩的稳固性。
进一步地，所述截水墙的纵截面为梯形；优选的，所述梯形的坡度为1：0.3。梯形的截水墙能更有效地拦截水流，减小水流对基础结构的冲击力。
本发明还提供一种如上所述桥墩扩大基础加固结构的施工方法，包括：
围绕桥墩布置多根导管，多根所述导管的底端延伸至地基内和/或穿过扩大基础延伸至地基内；
将注浆液体低压注入所述导管内，在压力的作用下注浆液体流入地基，实现脱空部位和/或地基孔隙的填充；
在所述扩大基础和桥墩的外围浇筑混凝土形成环形的截水墙；
对扩大基础进行处理，在所述截水墙与桥墩之间的扩大基础或扩大基础和地基上方浇筑混凝土形成混凝土加固层；
将注浆液体高压注入所述导管内，在压力的作用下注浆液体流入地基，实现混凝土加固层与扩大基础之间孔隙的填充。
本发明的加固方法经过两次注浆液体的注入，第一次低压注入是对脱空部位和基础孔隙进行填充，实现注浆加固，确保了混凝土加固层施工过程中的稳定性，但是混凝土加固层施工后，混凝土加固层与扩大基础之间的交界面仍存在孔隙，需要进行第二次高压注入，填满这些孔隙，使新旧加固结构形成一个整体，提高了整个加固结构的稳固性，粘结性，提高了加固结构的承载力和耐久性。
进一步地，多根所述导管呈多圈环状布置，所述扩大基础的每层台阶上均对应有一圈导管。
进一步地，穿过所述扩大基础的导管平行于桥墩设置，未穿过所述扩大基础的导管的底端向内倾斜设置；优选的，倾斜设置的所述导管与桥墩之间的夹角为45°~60°。
进一步地，所述注浆液体为水泥水玻璃浆液，所述水泥水玻璃浆液是由体积比为1:0.05～1:0.1的水泥浆与水玻璃配制而成；所述水泥浆的水灰比为1:0.5～1:1，所述水玻璃的模数为2.8，水玻璃为35波美度水玻璃。
进一步地，所述低压注入时的压力为0.3~0.5MPa，所述高压注入时的压力为1.5MPa。
进一步地，在所述高压注入时，注入顺序为：先前截水墙附近的导管，再侧截水墙附近的导管，最后后截水墙附近的导管；
所述截水墙包括前截水墙、后截水墙以及侧截水墙，所述前截水墙是指沿水流方向且位于迎水面的截水墙，后截水墙是指沿水流方向且位于背水面的截水墙，侧截水墙则为另外两侧的截水墙。
有益效果
与现有技术相比，本发明所提供的一种桥墩扩大基础加固结构及其施工方法，混凝土加固层和截水墙对扩大基础和扩大基础周边地基起到保护作用，避免了河流冲刷桥墩台基础，减少了桥梁墩台基础脱空部位的数量，同时增加原扩大基础的面积，使新基础的承载力更高；多根导管如同混凝土中的钢筋骨架，起到连接地基、扩大基础和混凝土加固层的作用，进一步提高了原有扩大基础的承载力，且通过导管可以注入注浆液体，注浆液体在脱空部位和/或基础孔隙中扩散形成网状凝固体，填补了脱空部位、地基孔隙及新-旧结构的交界面，确保了整个加固结构的稳固性，新-旧结构之间的粘结性，使新旧结构形成一个整体，进一步大大提高了加固结构的承载力和耐久性，同时有效地解决了常规加固结构因交界面剥离而导致受力不均的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中一种桥墩扩大基础加固结构正面图；
图2是本发明实施例1中一种桥墩扩大基础加固结构俯视图；
图3是本发明实施例1中一种桥墩扩大基础加固结构施工方法流程图；
图4是本发明实施例2中桥墩扩大基础加固结构正面图，图4中的数字均表示尺寸，单位为cm；
图5是本发明实施例2中桥墩扩大基础加固结构俯视图，图5中的数字均表示尺寸，单位为cm；
其中，1-桥墩，2-导管，3-截水墙，31-前截水墙，32-后截水墙，33-侧截水墙，4-混凝土加固层，5-扩大基础，6-地基，7-地面线，A为水流方向。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1和2所示，本发明所提供的一种桥墩扩大基础加固结构，包括桥墩1以及设于桥墩1下方的扩大基础5，在扩大基础5和地基6上方设有混凝土加固层4（或者在扩大基础5上方设有混凝土加固层4），且混凝土加固层4围绕桥墩1外周设置；沿混凝土加固层4的外周设置有截水墙3，3截水墙包括前截水墙31、后截水墙32以及侧截水墙33，前截水墙31是指沿水流方向且位于迎水面的截水墙，后截水墙32是指沿水流方向且位于背水面的截水墙，侧截水墙33则为另外两侧的截水墙；在混凝土加固层4上设有多根导管2，多根导管2穿过混凝土加固层4和/或混凝土加固层4和扩大基础5延伸至地基6内，即有三种情况，第一种是部分导管2穿过混凝土加固层4后直接延伸至地基6内，部分导管2穿过混凝土加固层4和扩大基础5后再延伸至地基6内；第二种是所有导管2仅穿过混凝土加固层4后直接延伸至地基6内；第三种是所有导管3均穿过混凝土加固层4和扩大基础5后再延伸至地基6内。
如图2所示，多根导管2呈多圈环状布置，扩大基础5的每层台阶上均对应有一圈导管2（图2中的扩大基础5有两层台阶，每层台阶上对应有一圈导管2），导管2的圈数一般为4~6圈，本实施例中设有4圈导管2，两圈导管2在穿过混凝土加固层4和扩大基础5，另外两圈导管2仅穿过混凝土加固层4。多圈环状布置能够使注浆孔（即导管）均匀分布，从而使注浆液体能够均匀压入到加固结构和/或地基6中，实现了脱空部位和/或地基孔隙的充分填充，避免了漏填充或填充不饱满的问题，提高了加固结构的稳固性。
如图1所示，穿过扩大基础5的导管2平行于桥墩1（或垂直于扩大基础5）设置，未穿过扩大基础5的导管2的底端向内倾斜设置（即向扩大基础5倾斜）；倾斜设置的所述导管2与桥墩1之间的夹角为45°~60°。倾斜设置的导管2延伸至扩大基础5底部的地基6内，便于填充扩大基础底部的脱空部位或地基孔隙，提高了桥墩底部基础结构的承载力，更有利于提高桥墩的稳固性。
本实施例中，导管2为钢管，导管2的直径为60~80mm，优选为75mm，长度为5~7m，穿过扩大基础5且位于地基6内的导管2部分的长度（即导管2位于扩大基础5底部的深度）为2~3m。导管2越密集越能保证所有脱空部位或地基孔隙被浆液填充，但考虑到施工机具的施工要求及导管2浆液加固有效范围约为0.5~1.8m，同一圈上的相邻导管2之间的间距应小于1.8m。
如图1所示，由前截水墙31、后截水墙32以及侧截水墙33构成环状的截水墙3，截水墙3的纵截面呈梯形，梯形的坡度为1：0.3。梯形的截水墙能更有效地拦截水流，减小水流对基础结构的冲击力。截水墙的高度与扩大基础的高度一致。
如图3所示，本发明还提供一种如上所述桥墩扩大基础加固结构的施工方法，包括以下步骤：
（1）准备工作。
对扩大基础5进行测量与放样，进行围堰与排水施工，并在围堰内侧设置排水沟和集水井，确保加固施工过程不受河水冲刷作用，并降低渗水影响。
（2）围绕桥墩1布置多根导管2，多根导管2的底端延伸至地基6内或穿过扩大基础5延伸至地基6内，即有三种情况，第一种是部分导管2穿过混凝土加固层4后直接延伸至地基6内，部分导管2穿过混凝土加固层4和扩大基础5后再延伸至地基6内；第二种是所有导管2仅穿过混凝土加固层4后直接延伸至地基6内；第三种是所有导管3均穿过混凝土加固层4和扩大基础5后再延伸至地基6内。
如图1和2所示，多根导管2呈多圈环状布置，扩大基础5的每层台阶上均对应有一圈导管2。穿过扩大基础5的导管2平行于桥墩1设置，未穿过扩大基础5的导管2的底端向内倾斜设置，且倾斜设置的导管2与桥墩1之间的夹角为45°~60°。导管2为钢管，导管2的直径为60~80mm，优选为75mm，长度为5~7m。
（3）配制注浆液体。
注浆液体为水泥水玻璃浆液，水泥水玻璃浆液以普通硅酸盐水泥和40波美度水玻璃为主要制浆材料，40波美度水玻璃稀释至35波美度，水玻璃的模数为2.8，普通硅酸盐水泥稀释制成水泥浆，水泥浆的水灰比为1:0.5～1:1，水泥水玻璃浆液是由体积比为1:0.05～1:0.1的水泥浆与水玻璃配制而成。水泥水玻璃浆液克服了单液水泥浆的凝结时间长且难以控制、动水条件下结石率低等缺点，提高了水泥注浆的效果，扩大了水泥注浆的范围，可达到快速堵漏的目的。
（4）针对扩大基础5底部地基6松散问题，通过注浆管将水泥水玻璃浆液低压注入导管2内，在低压力的作用下导管2内的水泥水玻璃浆液流入地基6，地基6内的水泥水玻璃浆液形成浆泡体，在地基6中产生极其复杂的应力体系，距浆泡体0.5～1.8m范围内均能受到明显的加固，实现了脱空部位和/或地基孔隙的填充。
本实施例中，低压注入时的压力为0.3~0.5MPa，当有注浆液体从导管2顶部冒出时，停止注入。根据地基6土层坚硬程度，可以采用填充、渗透、挤密和劈裂等方式进行注浆，对桥墩1基础2~3m内进行注浆加固。注浆管为软管，可以插入和拔出导管2，也可以在导管2内移动，在注浆（即注入水泥水玻璃浆液）时，注浆管距离导管2底端30~50cm。
（5）清除导管2内的注浆液体，以便进行下一次注浆。
（6）在扩大基础5和桥墩1的外围浇筑混凝土形成环形的截水墙。
如图2所示，截水墙3包括前截水墙31、后截水墙32以及侧截水墙33，前截水墙31是指沿水流方向且位于迎水面的截水墙，后截水墙32是指沿水流方向且位于背水面的截水墙，侧截水墙33则为另外两侧的截水墙。
（7）对扩大基础5进行凿毛和刷洗处理，在截水墙与桥墩1之间的扩大基础5和地基6上方浇筑混凝土形成混凝土加固层4。
根据扩大基础5的受损程度确定混凝土加固层4的高度，以满足设计的强度要求，一般混凝土加固层4的高度为1~2m。在浇筑混凝土加固层4时，保证导管2的顶端高出混凝土加固层4，以避免混凝土堵塞导管2，不利于后续的注浆液体的注入。
（8）针对混凝土加固层4、扩大基础5以及地基6之间的粘结问题，通过注浆管将注浆液体高压注入导管2内，在高压力的作用下注浆液体流入地基6，并渗透到混凝土加固层4与扩大基础5之间的地基6内，实现混凝土加固层4与扩大基础5之间孔隙的填充。
本实施例中，高压注入时的压力为1.5MPa。注浆液体的注入一般采用先外部后内部的注入顺序，但在有水流的情况下，应从水头较高的一端开始注入，因为注浆液体有向下迁移现象，即将从水头高的地方流向水头低的地方，先从水头较高的一端注入可确保在水流作用下注浆饱满。因此，本实施例中，注入顺序为：先前截水墙31附近的导管2，再侧截水墙33附近的导管2，最后后截水墙32附近的导管2，并且尽量保证同步注入（例如在前截水墙31附近导管2注浆时，尽量保证前截水墙31附近的几根导管2同步注浆）。
在高压注入时，可以重点监测注浆过程中的参数变化，如注浆量、注浆范围、注浆压力、浆液的凝胶时间等，根据现场吸浆量、注浆压力、地表冒浆距离等情况，及时调整注浆量。例如注浆初始即出现泵压大，吸浆量小，或注浆过程中突然出现这种情况，应停止送浆，清理导管2后再进行注浆。当出现以下情况之一时结束注浆：a、注入率小于1L/min 时继续注浆10min；b、冒浆点已出注浆范围3～5m 时；c、单导管2注浆量达到平均注浆量的1.5～2.0倍。
（9）采用高频雷达波检测加固结构的密实性，若结构孔隙不密实则返回步骤（8），若密实则进行步骤（10）。
（10）切除混凝土加固层4表面以上的导管2，表面以下的导管2保留，在注浆液体的粘结作用下，新-旧基础（即混凝土加固层4与扩大基础5）及地基6共同受力，形成桥墩扩大基础的加固结构。
本发明的施工方法采用二次注浆，第一次低压注浆确保基础土层的稳定性，使后续混凝土加固层4在浇筑过程中稳定，第二次高压注浆确保混凝土加固层4、扩大基础5、基础土层和预留导管2相互粘结形成加固结构整体，形成结构受力体系，提高扩大基础加固结构的承载力和可靠性，且施工便捷。
实施例2
湾塘电站桥地处湖南省湘西州龙山县境内，上部结构为4×39m+1×25m 钢筋混凝土双曲拱桥，桥墩基础为扩大基础。经工程检测单位对该桥的特殊检查，发现桥墩的墙砌筑砂浆脱落，局部空洞，基础冲刷掏。采用本发明桥墩扩大基础加固结构及其施工方法进行了加固处理，新建混凝土结构（即混凝土加固层和截水墙）采用C30材料，注浆液体为水泥水玻璃注浆液体，加固结构图如图4、图5所示。
2019年7月5日至2019年9月30日，对该桥加固结构进行了质量检测与监控量测。采用800M地质雷达仪器对所有桥墩扩大基础加固结构进行了质量检测，检测结果表明地基脱空、孔隙、新-旧结构交界面未发现不密实信号，表明本发明了加固结构的整体性较好。在基础加固施工及上部结构主拱桥和桥面铺装施工过程中，桥墩基础平面沉降高差小于0.2mm，累积沉降量小于1mm，表明全桥加固施工期间扩大基础加固结构的受力均匀，具有较高的承载力。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
