超高填土肋板式橋臺的樁基礎結構分析

馬希田，徐 龍，丁少凌

湖北省武漢市中交第二公路勘察設計研究院有限公司二分院，湖北 武漢 430056

1 概述

橋臺是橋梁結構的重要組成部分，它除了支承橋跨結構外，還要銜接兩岸線路路堤。既要能擋土護岸，又要承受臺背填土上車輛荷載所產生的附加側壓力。因此，要求橋梁墩臺不僅本身應有足夠的強度、剛度和穩定性，而且對地基的承載能力、沉降量、地基與基礎之間的摩阻力等也都有一定的要求[1]。肋板式橋臺因具有鋼筋混凝土用量較少，沿路線設計線方向剛度大的優點，被廣泛應用于高速公路橋梁。

隨著公路橋梁建設的不斷發展，在地基基礎條件較好的地區，為減少橋梁工程的造價，有時會利用臺后高填土來減少橋梁結構的長度。由于在橋臺的前后填土不對稱和臺前填土碾壓差，因此，橋臺背承受較大的土壓力，如果肋板臺樁基剛度較小，在土壓力作用下，橋臺會產生水平位移，若位移過大，將危及橋梁結構安全[2]。

本文就湖北滬蓉西(宜昌至恩施)高速公路項目中坪坦村大橋的超高肋板式橋臺來進行樁基礎的結構計算分析，為大家提供一個肋板式橋臺在高填土的土壓力、重力、地基約束力和上部結構傳力等作用下的計算方法，并給出安全、經濟、結構合理的橋臺設計和施工方案。

2 工程概況與設計資料

此項目段地處鄂西南褶皺山區腹地，由于地形復雜，平地很少，野三關停車區只能全部用高填土來滿足設計要求，因此造成坪坦村大橋與停車區相接的左幅橋臺只能做成24.2m高，22.668m寬的超高超寬肋板式橋臺，這給本橋臺的設計提出了很高的要求，經過多次計算和論正，本橋臺擬定采用12根樁徑為2m的樁，承臺厚度采用2.5m。

圖1 橋臺方案圖

設計資料：本橋上部構造采用裝配式鋼筋混凝土簡支T梁，標準跨徑為30.00m，計算跨徑為28.6m，本跨橋寬由19.789m變寬為22.688m，共有10片T梁均布設置；設計荷載為汽車-20級，掛-100，人群荷載為3.5kN/m2；臺帽、耳背墻、肋板用30號鋼筋混凝土，承臺與樁基礎采用25號鋼筋混凝土，容重均為γ1=25kN/m3；臺后及溜坡填土γ2=17kN/m3；填土的內摩擦角φ＝35°，臺背與填土間外摩擦角δ=1/2φ=17.5°粘聚力c=0。 橋臺方案圖見圖1。

本橋臺處工程地質條件較好，地基巖土地層大致可分為2層：1）含礫亞粘土；2）弱風化灰巖。其中含礫粘土在3m以內，該處工程地質條件為高路基和臺后填土提供了良好的天然地質條件。

3 橋臺結構計算分析

3.1 主動土壓力計算

根據朗肯土壓力理論，主動土壓力Ea＝γ2H2KaB/2

其中Ka＝tg2（45°-φ/2）=0.521

H為填土深度；

B為所受土壓力的構造物計算寬度；

汽車荷載換算的等代均布土層厚度h1=6×300/（22.668×0.583×24.3×17）=0.330m ；

由以上公式計算以后原地面上以上各構造物的主動土壓力見表1。

表1 臺后原地面以上各構造物的主動土壓力表

臺前溜坡填土自重對橋臺前側面的主動土壓力

其中Kb＝0.18(查《基礎工程》)；

H'為各構造物邊緣至坡面的垂直距離[3]；

由以上公式計算臺前原地面上以上各構造物的主動土壓力見表2。

表2 臺前原地面以上各構造物的主動土壓力表

3.2 臺前、臺后填土對基底產生的附加應力計算

臺背路基填土對橋臺樁尖平面處地基填土上引起的附加應力

對于埋置式橋臺，臺前錐體對樁尖平面處地基填土上引起的附加應力σ2'＝α2γ2H2

式中：α1、α2為豎向壓應力系數，可從《公路橋涵地基與基礎設計規范》查用；

H1為臺背路基填土的高度（m）；

H2為樁尖平面處的前邊緣上的錐體高度（m）；

3.3 結構計算

本橋上部結構恒載反力、支座摩阻力、橋臺各構造及土壓力在承臺底面中心的彎矩如下表3。圖2

表3 承臺底面中心的彎矩匯總表

把地面線以上橋臺所受各種力換算到承臺底形心為水平力H=-35137.8kN，豎直力P=58175.56kN，彎矩M=203128.61kN·m

其中：

水平力H：承臺底所承受的水平外力，向右為正。

豎向力P：承臺底所承受的豎向外力，向下為正。

總彎矩M：承臺底面形心處的d合計總彎矩，順時針為正。

基礎的彎曲剛度為0.6EI=0.6×28000×（12πd4/64+4.2×8πd2/4）=2155974KN-m2

樁的彈性變形系數

其中：b1為基礎的計算寬度，按基礎規范附錄六計算。

m：地基土的比例系數，按基礎規范附表6.5取用。

EI：基礎的彎曲剛度，E為彎曲彈性模量，I為抗彎慣矩。

地基系數m=15000kN/m4：地基土的比例系數，按基礎規范附表6.5取用；

樁底豎向地基系數Co=606250：樁底土承載力為1500kPa，按基礎規范附表6.6取用；

系數kc=1；

入土部分單樁的平均截面積A=3.14m2；

單樁底面積Ao=3.14m2；

基礎露出地面以上長度lo=12.2；

基礎入土深度=3；

由以上參數與基礎的尺寸，參考基礎規范附表6.10并通過橋梁博士彈性多排基礎模塊計算可得圖2。

單樁樁樁頂彎矩∶ Ma = 5859.6kN·m

中間排單樁的樁頂軸力N1=6638.3kN

兩邊排單樁的樁頂軸力N2=3952.8kN

通過單樁的樁頂彎矩和軸力，按偏心受壓構件計算可知本橋樁徑為2m是能滿足受力配筋要求的。

4 結論與建議

1）超高肋板式橋臺的臺背土壓力隨著深度呈線性變化，在設計中，需要考慮較大的土壓力作用，增加結構剛度以保證結構安全；

2）超高肋板式橋臺的樁基所受軸力較大，應適當加長樁基長度的來減少樁基的沉降量；

3）由于臺后填土較高，樁基應在臺后路基與錐坡填土按規定壓實填至路槽底后開挖進行樁基和承臺的施工；

4）超高橋臺臺前溜坡坡每8m高應設一2m寬的平臺，增加臺前填土的穩定性和加大填土的反向壓力。

[1]呂勇.高填土薄壁式輕型橋臺群樁基礎結構分析[J].浙江交通科技，2001，2：49-50.

[2]賀薇，王保田.肋板式橋臺填土期間的土壓力和橋臺位移的現場試驗研究[J].現代交通技術，2007，4(6)：33-35.

[3]凌治平，易經武.基礎工程[M].人民交通出版社，1999.

[4]公路工程地質勘測規范（JTJ064-98).