軟基路段中小橋橋臺設計優化分析

吳景科，顏光淦

（1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524005）

0 引言

碰到軟基問題時，業內公認的軟基處理方法僅能提升地基土的豎向承載力，而水平方向的抗力有限。特別是軟土地區橋頭路堤填筑會導致橋臺樁基水平向和豎向附加變形，引起樁基撓曲甚至斷裂，影響上部結構的正常使用。如何考慮軟基橋頭路堤填筑對橋臺樁基的影響，已引起業內高度重視。目前，已有很多學者對各類軟土地區橋臺樁基展開了相關研究[2]。

國內每年修建的中小橋眾多，為節省工程投資，大部分橋梁上下部結構采用通用結構型式。位于軟土地區的中小橋建設過程中，由于橋梁結構簡單，受力明確，一般中小橋的參建各方忽視軟基對橋臺的影響，設計方控制好樁基的靜態水平位移不超過規范，或者加大橋頭處軟基處理力度。軟基處理的很多理論仍依托經驗公式，未能做到放之四海而皆準，江門市濱江新區位于珠江西岸，屬于典型軟土地區，當地也建設很多類似的中橋，按常規方式設計和施工，目前均安全運營，但橋梁伸縮縫損壞等病害依然存在。然而，江門市濱江新區人工湖南路中橋建設過程中，由于施工單位未按照設計要求的施工順序進行架梁施工，正在做架梁前準備時，橋臺一度出現多達2.2 m的水平向大位移，橋臺樁基斷裂等嚴重的質量事故。經過修復后，橋梁施工完成后，經過復測，橋臺背墻頂部仍存在2～3 cm的水平位移，存在擠壓伸縮縫。本文通過分析橋臺位移的成因，提出優化方案，便于更好地優化設計，為同類型的橋梁設計提供參考。

1 工程概況

江門市濱江新區人工湖南路中橋上部結構采用2×20 m預應力混凝土空心板，橋梁寬為25 m，采用整幅布置，全橋共采用38片空心板，橋梁總長45 m。下部結構采用薄壁式橋臺，雙排直徑為1.2 m的樁基，均嵌入中風化粉砂巖不小于1.5d；柱式橋墩加蓋梁，單排樁基直徑為1.3 m，樁間設有系梁，均嵌入中風化粉砂巖不小于1.5d。樁基所處地層軟基厚達13 m，流塑性。設計汽車荷載為公路-Ⅰ級。

圖1 中橋總體布置圖（單位：cm）

圖2 中橋橫斷圖（單位：cm）

2 橋臺優化設計

江門市濱江新區人工湖南路中橋橋臺出現大滑移后，修復時，橋臺的樁基全部廢棄，橋墩樁基經過檢測后，發現樁基承載力未能達到設計的要求，但還能繼續使用，故多加2根樁基，通過系梁共同受力。橋臺前后的軟基處理由單向水泥攪拌樁改成雙向水泥攪拌樁，樁間距由1.0 m改成0.8 m，同時臺前設立反壓互道。施工嚴格按照施工規范進行，先架梁后進行臺后填土，臺后換成輕質土。但架梁時，經過3個月的反復測量發現，橋臺背墻頂部仍存在往河心側2～3 cm的水平位移，擠壓了背墻和空心板板端的預留4 cm空隙，嚴重影響到下一步的伸縮縫安裝工序。橋臺的背墻頂部存在2～3 cm的水平位移，橋臺和橋臺樁基作為一個受力共同體受到臺后主動壓力作用，產生了小于5°的傾斜角。橋臺再次產生二次微小滑移，橋臺和橋臺樁基需檢測，確保橋梁的下部結構安全，經過檢測，未發現結構受損的情況。

在全橋范圍內行車道上不設伸縮縫的橋梁為無伸縮縫橋梁，可分為半整體式橋臺無伸縮縫橋梁（簡稱半整體式橋臺橋梁,只傳遞剪力Q不傳遞彎矩M）和整體式橋臺無伸縮縫橋梁（簡稱整體式橋臺橋梁，傳遞Q和M）[3]。充分考慮到南路中橋為簡支梁橋，受力明確，橋梁規模較小，橋梁整體升降溫作用下，產生的溫度二次內力可以忽略不計，設計優化方案采用全橋取消伸縮縫，做成橋臺連續，形成半整體式橋梁。通過預留橋面切割縫，填筑瀝青，適應橋面的梯度變化。目前，有學者也提出中小橋無需設置伸縮縫。橋臺背墻與空心板板端縫隙被擠壓，避免產生兩者的碰撞，影響結構的耐久性，在兩者縫隙中設置一條細粒式混凝土抗壓帶，起到緩沖的作用。橋臺優化設計如圖3所示。

圖3 橋臺優化設計示意圖（單位：cm）

3 全橋模擬

3.1 模型建立

江門市濱江新區人工湖南路中橋優化方案的核心是取消伸縮縫，全橋均不設伸縮縫，通過橋面整體化層與橋臺背墻連成整體，轉換成橋臺連續，從而變成半整體式橋臺橋梁。假設橋臺的樁基水平位移滿足規范，橋梁結構屬于常規簡支結構，通過橋臺伸縮縫來適應升降溫的變化。然而優化方案中無伸縮縫，通過橋臺與空心板連成一體共同適應溫度的升降作用，現采用Midas civil 2011有限元軟件對南路中橋進行整體受力分析。主要分析溫度的升降、臺后主動土壓力對半整體式橋臺橋梁的受力情況。南路中橋全橋模型如圖4。

圖4 南路中橋全橋計算模型

3.2 模型計算假定

模型中，采用土彈簧近似模擬樁的側向土壓力和樁端支撐力。按照地基規范中取m值，采用m法計算樁基每個節點處的三向彈簧剛度SDX、SDY、SDZ。中橋橋臺背墻與空心板板端間、板端間的混凝土塊采用梁單元模擬，并且釋放兩端約束，接近實際混凝土塊只受壓；單跨19片空心板采用梁格法模擬；橋臺（包括承臺）采用實體單元模擬；樁基采用梁單元模擬，橋墩、蓋梁、樁基均采用梁單元模擬。按照現行規范，查獲江門地區溫度取值為：升溫20℃和降溫20℃。臺后路基填土高度取4.5 m。

表1 地層參數 kN/m4

4 結果分析

為了敘述方便，本文采用國際上通用的表達方式，即靠近路基排樁稱為前樁，遠離路基排樁稱為后樁[4]。本橋梁考慮升降溫20℃時，橋臺處和橋墩處空心板端產生的彎矩、剪力、軸力，由于橋梁本質還是簡支結構，未改變其受力形式，仍屬于靜定結構，因此兩跨空心板的受力一致，在此僅列出一跨20 m預應力空心板的受力情況。考慮橋梁整體升降溫后，空心板的內力如表2、表3所示。橋臺連續后，空心板的內力分布情況與橋臺處設伸縮縫時變化不大，橋梁樁基的水平位移如圖4、圖5所示，控制在6 mm之內，對結構的影響可忽略不計。

表2 升溫時空心板兩端的內力結果

表3 降溫時空心板兩端的內力結果

圖5 升溫時樁基頂端的水平位移

圖6 降溫時樁基頂端的水平位移

5 結語

a）半整體式橋臺橋梁只傳遞剪力，不傳遞彎矩。結果顯示背墻未出現與橋面鋪裝層連成一體后產生裂縫的現象。

b）結構整體剛度較好。半整體式橋臺橋梁有較好的溫度適應性。溫度荷載作用下，結構-土存在側向和豎向的共同作用，是一種相對活載不敏感結構；相對整體式橋臺，半整體式橋臺在溫度荷載作用下應力集中得到很大程度的緩解。

c）半整體式橋臺橋梁各構件受力均勻合理，結構整體剛度大，但設計時應注意季節性溫度荷載存在正負交替作用，對上、下部結構按交變受力的壓、彎、剪構件驗算。

d）軟基是世界難題，從理論到實際應用，仍依靠經驗和實驗手段監控工程施工質量。橋梁設計前期一定要詳細鉆探，探明橋位地質情況，根據上部構造對承載力、變形及穩定性的要求，結合當地環境和經濟條件，進行充分研究后決定應采取的設計方案和施工方案，以確保橋臺穩定。特別是中小橋，由于受重視程度不高，容易忽視軟基部分的技術細節，留下工程隱患，望本文能向類似的工程提供一定的設計和管理依據。