第十一章混凝土橋梁之耐震補強(qiáng)與加固

1、第七章 工 址 調(diào) 查工址之地形、土壤強(qiáng)度、壓縮與水力學(xué)特性，以及乃至施工特性等皆須調(diào)查清楚，始能進(jìn)行工程設(shè)計與施工。工址調(diào)查之目的在於查出或預(yù)估施工中乃至施工後地盤與結(jié)構(gòu)物間之相互行為，並決定從事設(shè)計或分析時所需之地層結(jié)構(gòu)，狀況及各土層之土壤參數(shù)等資料。,,工址調(diào)查(Site Investigation)「土木建築工程設(shè)計及施工前，應(yīng)施行現(xiàn)場調(diào)查目的在取得相關(guān)之地層資料，包括地層構(gòu)造、支承力及臨近地形、地物、水文等狀況。在

2、特殊情況….宜進(jìn)行地層之動態(tài)特性及液化潛能之調(diào)查?！?(摘自『游啟亨-最新大地工程辭典』),,地盤與結(jié)構(gòu)物之關(guān)係 地盤之調(diào)查主要係為取得地盤資料而實施，並妥善解決下列問題：填土或邊坡之穩(wěn)定與沉陷。鉛直或水平支承力與沉陷。開挖與排水。地下水情況。地盤之動態(tài)性質(zhì)。填土之夯實度。,,工址調(diào)查之精髓在於針對特定之工程項目設(shè)計一套調(diào)查計畫，調(diào)查計畫應(yīng)包括：(1)調(diào)

3、查步驟、時機(jī)及精度；(2)調(diào)查方法、調(diào)查密度、位置及深度；(3)大地材料試驗位置、項目及數(shù)量。調(diào)查計畫中任何一項目之正確決定，均有賴對土壤及巖石力學(xué)理論之瞭解及豐富之大地工程經(jīng)驗。,,工址調(diào)查的計畫與方法 自地盤中採取未擾動土樣，進(jìn)行土壤力學(xué)試驗，將其結(jié)果分析計算，檢討採取對策，進(jìn)行設(shè)計工作。 工址調(diào)查除利用採測、鑽探、取樣及室內(nèi)土壤力學(xué)試驗等方法外，尚可採用十字片剪試驗或量測現(xiàn)地之孔隙水壓，取得設(shè)計及施工的

4、資料。,,工址調(diào)查的時機(jī) 填土或結(jié)構(gòu)物之設(shè)計及施工前， 須先進(jìn)行工址調(diào)查。,,工址調(diào)查流程包括：(1)規(guī)劃階段之可行性調(diào)查(2)基本設(shè)計階段之初步調(diào)查(3)細(xì)步設(shè)計階段之細(xì)步調(diào)查(4)施工階段之施工調(diào)查(5)維護(hù)管理時之調(diào)查,,調(diào)查方法包括：(1)文獻(xiàn)蒐集；(2)航照判釋；(3)地表地質(zhì)調(diào)查；(4)地球物理探測；(5)鑽探、取樣及室內(nèi)大地材料試驗；(6)孔內(nèi)試驗或其它現(xiàn)地試驗；(7)地表或

5、地中大地工程監(jiān)測。目前臺灣部份建築或土木工程將鑽探等同於工址調(diào)查實為極大之謬誤。關(guān)於工址調(diào)查及鑽探之相關(guān)資料請參考地工技術(shù)第2期及第49期。,,不易求出適當(dāng)土壤參數(shù)之原因自然形成之地盤層次複雜。土壤的應(yīng)力歷史極富變化。填土材料之性質(zhì)與使用區(qū)分， 在設(shè)計階段不易明確預(yù)估。設(shè)計時的土壤參數(shù)尚須考慮: 加載或開挖所弔起之土性變化、 壓密指數(shù)、 施工順序方法滲透水變化。。,,土樣的採取與試驗

6、通常以鑽探方式採取未擾動土樣，以實施室內(nèi)土壤力學(xué)試。求得設(shè)計及施工所需之土壤參數(shù)。工址調(diào)查之現(xiàn)地試驗有：標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗。靜力貫入試驗。現(xiàn)地透水試驗。側(cè)向K值試驗。,,,調(diào)查步驟 :預(yù)備調(diào)查主要調(diào)查試驗調(diào)查 補充調(diào)查,,預(yù)備調(diào)查資料調(diào)查： 地形圖、 空照圖、 地質(zhì)圖、 地質(zhì)調(diào)查報告、 填土紀(jì)錄、 地盤沉陷災(zāi)害紀(jì)錄、 現(xiàn)地踏勘。,,主要調(diào)查(1):概略調(diào)查（先行調(diào)查

7、）， 在具代表性之地點實施探測或鑽探瞭解土質(zhì)。詳細(xì)調(diào)查（細(xì)部調(diào)查）。 調(diào)查地點之選擇可分為調(diào)查軟弱地盤土層狀態(tài)，採用之鑽採與取樣，及以查明土層剖面軟弱地盤的範(fàn)圍採用之探測。公路條形填土鑽探的間隔為50公尺、100公尺。整地後之建築用地，以格子狀, 選擇調(diào)查地點鑽探間隔， 山谷間50~100公尺 平原100~300公尺。,,調(diào)查深度及取樣 一般原則應(yīng)達(dá)荷重影響10%之深度， 橋樑或高層建築

8、砂礫層5~10公尺填土基礎(chǔ)： 填土高為H，寬為L，調(diào)查深度約為2H或 L/4 。 建築規(guī)範(fàn)達(dá)基腳寬度之四倍以上 或為筏基寬度之1.5倍以 上， 不得少於六公尺。,,,試驗調(diào)查 軟弱地盤或施工前進(jìn)行填土試驗或載重試驗。補充調(diào)查 (1).遇下列情形，須作補充調(diào)查。 結(jié)構(gòu)物的位置、變更 土層的成層複雜、 軟弱層深度顯著不同，

9、或穩(wěn)定性有顧慮時， 在必要地點土樣取得不夠， 無法決定設(shè)計用之土壤參數(shù)時。,,(2).孔隙水壓之量測: 調(diào)查軟弱地盤可預(yù)估地 盤沉陷量防範(fàn)於未然。(3).地盤動態(tài)調(diào)查： 耐震試驗決定地盤的強(qiáng)度參數(shù)。 為瞭解土 壤的動態(tài)特性，有必要作下列之調(diào)查 試驗： 採取未攪動之砂質(zhì)土樣，作 動力三軸試驗、

10、 現(xiàn)場動力試驗、 震測。,,內(nèi)容概要： A.前言: 敘述工址調(diào)查之目的B.土壤與巖石之分類:巖石之資料收集、測量C.內(nèi)業(yè)與踏勘:資料獲取，搖測與航照判讀 人造衛(wèi)星遙測，工址現(xiàn)地踏勘D.地球物理探勘：地質(zhì)調(diào)查，探勘方法，震測 E.鑽探與取樣: 鑽探方法，土壤與巖石之取樣方法，土壤之?dāng)_動，鑽探密度與深度F.土樣試驗法:土壤試驗，試驗之正確性G.土樣與巖石之現(xiàn)地試驗法：現(xiàn)地貫入試驗，鑽

11、孔內(nèi)之力學(xué)試驗，現(xiàn)地透水試驗法H.工址之現(xiàn)地監(jiān)測方法：現(xiàn)地監(jiān)測儀器、類別及基本需求孔隙水壓與地下水位之量測，現(xiàn)地地物之變形量測，現(xiàn)地結(jié)構(gòu)物之應(yīng)力觀測,補充資料----個案實例介紹,,,,,,,,,,,,,,臺北都會區(qū)大眾捷運系統(tǒng)初期計劃第一階段工址調(diào)查服務(wù)內(nèi)容??工址踏勘??基地調(diào)查??現(xiàn)場試驗??地質(zhì)調(diào)查??試驗室試驗,,,巖盤工址之水力特性調(diào)查臺灣地區(qū)因活躍的造山運動造成巖層節(jié)理發(fā)達(dá)，伴隨充沛之雨量，以致巖盤中之

12、地下水儲存量豐富。本調(diào)查方法，藉由整合孔內(nèi)影像探測設(shè)備及雙封塞水力試驗設(shè)備達(dá)到巖盤工址水力特性調(diào)查目的?？變?nèi)影像探測儀主要辨識鑽孔巖層狀況及裂隙分佈情形，探測影像除了補充區(qū)域地質(zhì)資料外，同時提供後續(xù)裂隙巖體水力試驗規(guī)劃依據(jù),,富岡小野柳 主題:倒置地層內(nèi)之右移斷層,,交通部 工址調(diào)查前 計畫概述交通部運輸研究所初期規(guī)劃臺北捷運系統(tǒng)路網(wǎng)之總長度達(dá)95公里以上，並計畫以十五年以上之時間，分成六個階段來完成整個系統(tǒng)的施工。第一

13、階段施工為捷運紅線北段，全長22.8公里其中高架段、地面段和地下段約各佔1/3。本計畫之總顧問由英國大眾運輸公司(British MassRapid Corporation)，細(xì)部設(shè)計則由國外和本地顧問公司負(fù)責(zé)。亞新工程顧問公司於1985年8月受交通部運輸研究所委託為大地顧問，對細(xì)部設(shè)計之大地工程方面進(jìn)行研究。本計畫沿線的初步調(diào)查由亞新工程顧問公司負(fù)責(zé)進(jìn)行。,第十一章混凝土橋樑之耐震補強(qiáng)與加固,第一節(jié) 前 言隨著社會之進(jìn)

14、步及商業(yè)活動的不斷增加，交通事業(yè)日益發(fā)達(dá)，公路交通在國民經(jīng)濟(jì)中的功能和地位，也愈為人所重視，而橋樑是確保公路暢通的關(guān)鍵，其承載能力和通行能力更溝通公路網(wǎng)的樞紐。因此對於橋樑維修、加固補強(qiáng)，以及如何提高其承載能力等問題的研究及相關(guān)科技的開發(fā)和施行，已為重要課題。,橋樑維修加固或補強(qiáng)的基本目的有二項：1.如何保持或提升其承載力。 表示結(jié)構(gòu)物承受原設(shè)計重之能力。2.如何增加其耐久性。 則指與原結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命有關(guān)的長期需求。,第

15、二節(jié) 地震對橋樑的危害,2-1地震波及其傳播 地震是自然界地殼運動所造成的一種地動現(xiàn)象，如何在地震發(fā)生時保障人民生命財產(chǎn)的安全，使存在於大自然的破壞力減至最小，是從事耐震結(jié)構(gòu)研究及設(shè)計工作者責(zé)無旁貸的任務(wù)。 地震時，從震源發(fā)出的地震波在地殼中擴(kuò)散，形成縱波和橫波兩個方向的傳播力。 縱波：往地面擴(kuò)散時，可產(chǎn)生垂直地表之上下 振動。 橫波：質(zhì)點振動方向與地震波的傳播方向垂直， 在接近地表附近

16、可產(chǎn)生水平方式的振動。,此兩波相比，縱波的速度為橫波的1.8倍左右，因此縱波較橫波先傳達(dá)到地表附近。縱波的振動週期短(約0~0.5秒)，振幅小且傳播距離近，影響範(fàn)圍約80~110㎞，橫波之影響範(fàn)圍則約160㎞，以上。1.震源深度在60㎞以內(nèi)的地震稱為：淺源地震。2.震源深度在60-300㎞的稱為：中源地震。3. 震源深度在300-700㎞的稱為：深源地震。,2-2 地震對橋樑危害的基本規(guī)律,根據(jù)國外地震災(zāi)害調(diào)查資料顯示：

17、各式橋樑結(jié)構(gòu)震害有著以下之規(guī)律性，即「震害與地震強(qiáng)度高低、地基地質(zhì)、順橋向和橫橋向有著密切的關(guān)係」。 1.高強(qiáng)度震害較低強(qiáng)度震害為嚴(yán)重 一般而言，在穩(wěn)定地基上，強(qiáng)度為8度時，才使橋樑產(chǎn)生震害，但岸坡滑移和地基失效的橋樑，地震強(qiáng)度為7度時，就使橋樑產(chǎn)生震害。,橋樑震害類別與強(qiáng)度影響,,2.地基地質(zhì)之影響 在一些抗震危險地段，地震來襲時，將會發(fā)生大規(guī)模之地表錯動、滑波及崩塌等嚴(yán)重震害。橋址附近之地表動使墩臺產(chǎn)生水平、垂直及傾斜變

18、形，此類變形均屬大幅度變位，將導(dǎo)致橋樑嚴(yán)重破壞。若橋岸在地震力件用下出現(xiàn)滑移，滑移土體將對橋墩與橋臺都產(chǎn)生土壓力，當(dāng)土體自重在滑移面產(chǎn)生的剪力大於土體的抗剪力和摩擦力時，土體即開始向河心滑動。,3.順橋向之震度較橫橋向震害為重 在大量的橋墩震害調(diào)查實例中，所有樑式橋和拱橋的倒塌或嚴(yán)重破壞均出現(xiàn)在順橋的方向，而橫橋方向則多，僅出現(xiàn)中等程度的破壞。 第三節(jié) 混凝土橋樑的耐震補強(qiáng)與加固 地震對橋樑結(jié)構(gòu)造成損害的三項主要因素為

19、： 1.下部結(jié)構(gòu)之弱點 2.支座之強(qiáng)度不足 3.基座鄰近土壤之強(qiáng)度不足,3-1 橋樑抗震加固 為達(dá)到橋樑耐震的要求，加強(qiáng)橋樑之構(gòu)造及周 圍地質(zhì)條件以提高抗震能力。 目前常見之橋樑加固措施如下： 1.防止順橋向日(縱向)落樑的抗震措施。 2.防止橫橋向落樑的抗震措施。 3.墩臺和基礎(chǔ)的抗震加固，主要是防止地震作 用下之傾覆及滑動的失穏現(xiàn)象。 4.下部結(jié)構(gòu)

20、如橋柱之抗震補強(qiáng)加固。,3-2橋樑耐震補強(qiáng)之進(jìn)步驟—分為12項 1.選取需進(jìn)行耐震補強(qiáng)之橋樑 2.橋樑橋址基本資料之蒐集及審查 3.進(jìn)行現(xiàn)地探勘 4.橋樑現(xiàn)有能力評估 5.結(jié)構(gòu)動力分析模型之建立 6.驗證動力分析 7.動力分析需求和結(jié)構(gòu)元件容許強(qiáng)度之比較 8.結(jié)構(gòu)系統(tǒng)弱接點及後續(xù)荷載路徑之判定 9.維修補強(qiáng)改善策略之?dāng)M定 10.業(yè)主及專家對橋樑補強(qiáng)改善策略之評議 11.依據(jù)評議結(jié)果進(jìn)行補強(qiáng)改善之細(xì)

21、部設(shè)計 12.邀請有經(jīng)驗橋樑專家及工程師,第四節(jié) 結(jié)論,橋樑結(jié)構(gòu)為交通網(wǎng)路之關(guān)鍵樞紐，關(guān)係著經(jīng)濟(jì)、民生活動之正常發(fā)展，於是維持其承載力及耐久性，即是對社會之一保障，對於不可知之地震所造成之危害，亦應(yīng)有所警覺。對於臺灣地區(qū)橋樑的耐震補強(qiáng)與加固工作之進(jìn)行，實為一刻不容緩的工作。,,民國四十二年在美援情況下，建成西螺大橋總長達(dá) 1939.03公尺當(dāng)時號稱為遠(yuǎn)東第一大橋,,澎湖跨海大橋（民國五十四年動工，五十九年底完工通車全長 5,

22、541公尺，其中陸上引道 3,061公尺，橋樑本身2,160公尺為遠(yuǎn)東第一深海大橋）。,,,,,高屏溪之複合式斜張橋,臺北市大直釣竿式斜張橋91年底通車，成為臺北市新地標(biāo)紅色鋼纜使整個橋身更加亮麗。,,,八十八年建成「千禧吊橋」遊客在竹崎走過千禧吊橋到達(dá)「左岸」那邊，可喝杯咖啡，可唱卡拉OK等。,,臺灣吊橋大王之稱的林枝木(站立者) 南投縣草屯鎮(zhèn)人，完成了二百多座，博得「臺灣吊橋大王」。 較具代表性的有：達(dá)見吊橋、橫貫公路太魯

23、閣吊橋、復(fù)興鄉(xiāng)巴陵吊橋、初鹿吊橋、太麻里吊橋、曾文水庫吊橋等。最長的是草屯雙十吊橋360公尺，施工最久的是石岡的長庚吊橋。,,中華技術(shù)雜誌既有跨越橋梁基礎(chǔ)之耐震補強(qiáng)工法探討 工部經(jīng)  理陳福勝補強(qiáng)工法水平加速度調(diào)高，須檢討土壤液化潛能，上部結(jié)構(gòu)傳遞至基礎(chǔ)之水平橫力，將會造成承載安全性的不足，故必須檢討原有基礎(chǔ)承載強(qiáng)度，並分析採用補強(qiáng)方式，以增加基礎(chǔ)的容許承載力及土壤抗液化能力。,,地震係數(shù)提高對公路橋梁

24、之影響集集大地震之公路橋梁，許多係依1995年頒訂之公路橋梁耐震設(shè)計規(guī)範(fàn)設(shè)計發(fā)生支承脫落、墩柱混凝土脆裂、墩柱鋼筋挫屈、側(cè)移或傾斜，落橋等嚴(yán)重的震災(zāi)。修正規(guī)範(fàn)，將水平加速度係數(shù)為0.33，因係數(shù)提高，橋址之土壤液化潛能亦將提高，必須補強(qiáng)以增加容許承載力及土壤抗液化之能力。,,橋梁剩餘使用年限的耐震能力，根據(jù)構(gòu)件強(qiáng)度、韌性所推估之破壞模式耐震分析、橋梁基礎(chǔ)之結(jié)構(gòu)破壞主要為：(1) 基礎(chǔ)承載力不足；(2) 基樁剪力破壞；土壤液

25、化現(xiàn)象係指於地震之連續(xù)性反覆應(yīng)力作用下，疏鬆之飽和細(xì)砂或砂質(zhì)粉土內(nèi)孔隙水壓逐漸上升，致使土壤之有效應(yīng)力減低高速公路橋梁其地震z=0.33，其用途係數(shù)I為1.2針對結(jié)構(gòu)物容許變形，必要之地盤改良。依據(jù)規(guī)範(fàn)，承載力安全係數(shù)於常時為3，中小型地震時為2 ；大地震時，，取安全係數(shù)為1。,,四、使用補強(qiáng)工法之限制橋梁基礎(chǔ)補強(qiáng)設(shè)計之主要考量為： 1. 既有基礎(chǔ)垂直支承力檢核及補強(qiáng)。 2. 既有基礎(chǔ)水平支承力

26、檢核及補強(qiáng)。 3. 上部結(jié)構(gòu)體耐震補強(qiáng)後之載重增量對基 礎(chǔ)之影響。,,五、耐震補強(qiáng)工法評估1. 淺基礎(chǔ)耐震補強(qiáng)工法 (1) 基礎(chǔ)加寬(加厚)方式 其背側(cè)無施工空間難以施工。 (2) 微型樁 僅能單側(cè)補強(qiáng)(橋臺背有回填土堤無法 施工)。 (3) 超微粒水泥灌漿 日本阪神大地震後皆採用此方式提高

27、   其承載力。 (4) 超高壓灌漿 藉由噴射鑽桿之旋入地中，並藉以旋 射噴注漿液填充土體以提高土壤勁度。,,2.  深基礎(chǔ)耐震補強(qiáng)工法 (1) 鋼管樁壓入法 減少土壤擾動，減少環(huán)境污染 (3) 全套管施工 可得品質(zhì)較佳之樁體，但因空間高度 限制

28、.並不適用於既有橋臺基礎(chǔ)之補強(qiáng) (4) 反循環(huán)樁 藉由外管之?dāng)嚢柰馏w與內(nèi)管之排土作 用 並配合加入穩(wěn)定液 須備有沉澱池等 設(shè)施，佔地範(fàn)圍大 及產(chǎn)生之皂土 處理 麻煩.,,六、結(jié)論與建議1.因應(yīng)集集地震，調(diào)高震區(qū)係數(shù)，經(jīng)發(fā)現(xiàn)基 礎(chǔ)承載安全性不足，液化潛能昇高，故 需予以耐震補強(qiáng)。 2.補強(qiáng)須考量其

29、低淨(jìng)空限制，耐震補強(qiáng)可採 基礎(chǔ)加寬(加厚)、微型樁，超高壓灌漿 3.基礎(chǔ)之耐震補強(qiáng)工法主要為增樁方式，可 採用鋼管壓入法、全套管施工、反循環(huán) 樁等工法，考量淨(jìng)空限制，振動與噪音。,,安全系數(shù)的決定是一項複雜而可靠的任務(wù).高安全系數(shù)帶來安全的設(shè)計, 也帶來高的負(fù)擔(dān)和高價, 這是最基本的工程折衷,“價格VS安全“. 專業(yè)組織通常針對不同的系統(tǒng)給出最小的安全系數(shù);接近1.0的系數(shù)(一次使用,短壽命

30、)可能足夠于軍用導(dǎo)彈;接近1.2的系數(shù)適于軍用飛機(jī)(裝備了一個降落傘,完全通過測試);民用飛機(jī)的系數(shù)大約爲(wèi)1.5(通過測試,常規(guī)維護(hù)). 水壩的安全系數(shù)高于20在另一個範(fàn)圍的極端位置(需要幾十年的維護(hù),故障將導(dǎo)致悲慘的後果).,,Joseph p. Visodic 在 1948 他發(fā)表了最小安全系數(shù)的著作.可拉伸材料的安全系數(shù)是基于屈服強(qiáng)度. 易碎材料是基于極限強(qiáng)度和拉伸材料的兩倍數(shù)值. 震動負(fù)載的最小安全系數(shù)爲(wèi) 2,再乘以震