軟土地基橋梁下部結構設計研究

文/石武

1 前言

橋梁下部結構包括橋臺、橋墩和樁基等，下部結構設計是橋梁設計的主要環節和內容，其設計質量直接決定下部結構的安全性與穩定性，并影響到上部結構的設計與施工。尤其是當橋梁處在軟土地基的情況時，下部結構設計難度更大，需要考慮的因素更多，必須引起相關人員的高度重視，使設計順利完成，并達到預期的安全性、可行性與經濟性等目標。

2 工程地質與結構選型

某橋梁工程所在場地表層是深度在0.5～2.5m 范圍內的粘性土，粘性土的下部是深度在3～13m 范圍內的淤泥和淤泥質粘土，繼續向下分別為粘土、亞粘土和花崗石麻巖。在以上地層結構中，淤泥處于流塑狀態，含水量與壓縮性均較大，且基本不透水，強度極低。在這種地基條件下選擇適宜的墩臺類型至關重要，除了決定橋梁能否正常使用，還會對工程造價造成很大的影響。如果因為地基原因導致墩臺損壞，則會造成很大的破壞性，并且很難修復。因受到軟基、填高、軟土與上部結構等多種因素的同時影響，情況復雜，工作人員要根據工程的實際情況來分析和考慮。該橋梁所在地區常用輕型墩臺包括以下幾種：鋼筋混凝土薄壁墩、柔性排架式墩、埋置式樁柱式橋臺和柱式墩[1]。

在選擇具體墩臺類型時，為盡可能減少軟基對墩臺結構造成的影響，應減少超靜定數量，在設計過程中可適當增加樁之間的距離，嚴格控制樁數，以此減少工程成本。如果樁的底部與基巖表面距離很近，承載力與設計要求相近，則樁可以不進入基巖層內；而如果承載力不足，則應對樁徑予以適當增大，并選擇摩擦樁取代嵌巖樁。

3 內力計算

為盡可能減小軟基對超靜定結構造成的不利影響，橋梁上部結構大多選擇簡支結構，同時為了對行車條件予以改善，只橋面部分進行連續處理。在這種情況下，橋梁下部結構設計會成為整個橋梁工程設計的重心，因此內力計算結果是否準確、考慮是否綜合與全面對工程安危有直接影響[2]。

下部墩臺受上部恒載的作用力，其計算沒有異議。而對于橋面活載可能對下部結構造成的影響，根據相關規范，需要以可能產生的最不利工況為依據進行。在最新的相關標準中，針對活載可能對下部結構帶來的影響力，需按以下規則計算：如果荷載為對稱布置，則需按照杠桿法進行計算；如果荷載為偏心布置，則需采用偏心壓力法進行計算。以上兩種荷載布置情況對應的內力均應取最大值來控制實際設計工作。事實上，以上算法只提出了兩種荷載布置情況下的下部結構內力計算，并非每個截面在最不利工況條件下的結構內力計算，存在以偏概全的問題，可能產生危險因素。對此，在實際的設計中應先確定每個截面上的內力影響線，然后根據影響線采用杠桿法與偏心法完成最不利工況的荷載橫向布置，由此確定不同截面對應的內力值（包括最大值與最小值），然后以內力包絡圖為依據對結構進行合理配筋[3]。近年來，某些設計單位還進行了簡化計算，即對于支座數量較多的上部結構為板和箱梁的橋，其墩臺蓋梁計算均按照活載直接作用在蓋梁進化而成的連續梁上進行，不再考慮橋面的活載與二期恒載。

除內力計算以外，對于橋臺荷載，還應考慮搭板的自身重量、土壓與負摩阻力。尤其是土壓，它對橋臺造成的影響比較復雜，在實際的設計工作中應注意下列幾點：

當采用鋼筋混凝土薄壁臺時，軟基上設有基樁的鋼筋混凝土薄壁臺，其土壓的計算應按照深層充分考慮。

當采用埋置式橋臺時，其土壓需要在填土開始前的原地面開始計算；當土質較差時，應綜合考慮土質驗算，以此確定是否考慮臺后存在的深層土可能對樁水平壓力造成的影響。除此之外，因設計過程中壓力計算往往按照臺后不滲水進行，所以臺后應使用強度較高、透水性強且穩定的回填材料，避免滲水后粘結力與摩擦角均大幅下降，導致自重增大；橋臺受到的土壓超過設計值，導致橋臺失穩。

充分考慮搭板可能對土壓造成的影響。當橋臺設置搭板時，應充分考慮搭板設置后活載土壓發生的變化可能對橋臺造成的影響。

充分考慮橋頭路基發生滑動與沉降可能造成的影響。如果路基產生很大的沉降，則會引起橋頭跳車等問題，導致梁端與臺背均發生損壞，而且還會使豎向土壓和負摩阻力均增大，導致蓋梁開裂或樁基下沉。路基發生滑動會使橋臺產生嚴重破壞，橋臺承受的水平方向土壓可能遠遠超過計算值，因此工作人員必須做好驗算[4]。如果以上兩項均無法達到要求，則應采取有效措施加以處理，比如采用粉噴樁對橋頭處的軟基進行處理。

4 結構配筋

對于截面相等的連續蓋梁，宜采用容許應力法進行計算；當條件允許時也可使用極限法，但注意不可完全套用，并在負彎矩處考慮一定余量。而對于變截面的連續箱梁，不可使用極限法，僅可以采用容許應力法來計算。在蓋梁中，抗彎配筋應充分考慮蓋梁可能受到的扭、彎、剪等各項影響以及下部結構在橋梁中的重要性，對裂縫的控制提出很高要求；另外，配筋方法通常不控制設計，而是根據裂縫的寬度對配筋進行控制。在抗剪設計中，不同方法都對混凝土和箍筋承擔的剪力給出了明確規定，使梁體不得不設置很多斜剪力筋，這會給梁中的布筋造成很大困難。在實際的配筋過程中，可采用多設置箍筋的方法增加混凝土和箍筋承擔的剪力，以此保證配筋有較大的自由度[5]。在對蓋梁進行配筋設計的過程中，工作人員要嚴格遵循強剪弱彎的原則，很多梁體發生破壞的原因都是剪力不足，而抗彎筋滿足基本要求即可，但抗剪筋必須有一定富余。當需要在施工過程中進行應力計算時，大多使用容許應力法。

在樁筋設計過程中，抗彎筋的設計大多采用極限法，并且相關規范中提出了詳細的計算方法。基樁不同截面上的鋼筋配置，從理論方面講，需要以彎矩包絡圖為依據進行，當處在軟基范圍內時，樁體的主筋需要從軟土層中穿過。對摩擦樁而言，配筋設置中應考慮下列幾點：減少鋼筋使用，避免鋼筋籠長度因為樁長的變化而改變，防止底部斷樁，并降低斷樁后的處置難度，預防發生扁擔樁。在樁體混凝土澆筑過程中，澆筑剛開始時容易發生卡管的問題，此時如果配筋合理，則當底部發生斷樁時，可直接將鋼筋籠拔出，然后在原位重新鉆孔，能大幅降低斷樁處理難度[6]。

通過對舊橋的綜合調查可知，以橋臺破壞最為常見，這和橋臺結構的受力比較復雜有關，橋臺破壞主要表現為各部位開裂，特別是不同構件之間連接位置的開裂。在過去，橋臺破壞原因主要歸結為超載，但和設計過程中忽略了一些重要因素也有直接關系，包括以下幾個方面：

蓋梁施工完成后和混凝土底模分開，防止自重變大。

臺后沿順橋向的水平方向土壓給蓋梁帶來的水平彎矩可能導致蓋梁跨中產生豎向裂縫；同理，側水平方向的土壓會導致耳墻根部產生彎裂。

橋臺發生前移會使有縫橋變為無縫橋，上部結構給橋臺背墻施加的推力可平衡臺后土壓，但這樣會帶來以下影響：背墻從根部開始產生剪裂、蓋梁挑出處從支撐根部開始產生斜下彎裂縫、臺身和蓋梁之間與樁基和臺身之間的連接部位產生彎裂。

橋臺受不同作用可能產生很大扭矩，導致蓋梁產生扭剪破壞，最后橋頭處的路基發生下沉，導致梁端或背墻處因為受到較大活載而產生破壞[7]。

基于此，在實際的設計工作中應采用為橋臺蓋梁增加抗剪和抗扭箍筋或斜筋的方法來加強，同時還要在蓋梁之前適當布置抗平彎鋼筋；另外，在條件允許的情況下，還應增加耳墻和背墻的結構尺寸與配筋，增大臺身的結構尺寸和配筋，增大樁基和蓋梁或臺身之間連接部位的根部配筋，并做好橋臺前后軟土地基的綜合處理工作。

5 結語

綜上所述，橋梁下部結構設計本身就是一項復雜的工作，尤其是當橋梁建設在有軟基分布的地區時，設計人員應充分考慮工程的實際情況，做到具體問題具體分析，有效解決各方面問題，同時在設計中還應堅持揚長避短與推陳出新等各項原則，以此保證下部結構設計質量，為之后的上部結構設計與橋梁施工奠定良好基礎，防止質量或安全問題發生。