排樁式橋臺設(shè)計及工程應(yīng)用

李松柏

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司 廣州市 510308)

0 引言

橋梁常用的橋臺型式有重力式橋臺、輕型橋臺等(如薄壁橋臺、肋板臺、樁柱式橋臺、座板式橋臺)[1]，這些型式的橋臺都采用順作法施工，即先開挖土方、基坑，再施工墩臺結(jié)構(gòu)。在橋臺周邊有須保護的建筑物、地下管線，或允許施工的場地較小，或開挖河岸護岸較困難等情況時，順作法橋臺由于須開挖深、大基坑，會存在施工風(fēng)險大、工期長、影響范圍大、造價高等弊病。因此設(shè)計一種不需要大開挖、施工影響小、施工風(fēng)險小、工期短、造價較低的橋臺型式顯得十分有意義，具有較大的適用性與經(jīng)濟性，近些年來，有部分學(xué)者對此做了一些相似的研究，比如何成茂等[2]提出了一種樁板式橋臺的構(gòu)造及設(shè)計計算方法；楊宏量等[3]提出了一種鋼筋混凝土連續(xù)墻式橋臺的施工；張大偉[4]在某高速公路改擴建項目中運用了一種和本文類似的橋臺結(jié)構(gòu)，著重分析了上部結(jié)構(gòu)與橋臺的連接方式問題；吳建成[5]介紹了密樁結(jié)構(gòu)在護岸工程中的應(yīng)用；高洪如等[6]參照工程實例，對比了密樁橋臺與薄壁輕型橋臺的受力異同[2]。本文著重從排樁式橋臺的構(gòu)造、承受荷載、邊界條件、模型計算等方面對排樁式橋臺做詳細分析論述，并將其運用在具體工程項目中，發(fā)揮了這種新型橋臺結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)勢，取得了較好的工程應(yīng)用效果。

1 排樁式橋臺的構(gòu)造

排樁式橋臺主要由鋼筋混凝土臺帽、橋臺背墻、密排樁、臺后填土組成，臺帽、背墻、臺后填土與一般常用的橋臺構(gòu)造一致，主要區(qū)別為密排樁，密排樁按作用分為擋土樁及承壓擋土樁。密排樁采用鉆孔灌注樁，樁間距可根據(jù)臺后土的性質(zhì)確定，也可采用咬合樁，即樁與樁之間相互咬合疊加。排樁式橋臺一般構(gòu)造見圖1、圖2、圖3。

圖1 密排樁橋臺立面圖

圖2 密排樁橋臺平面圖

圖3 密排樁橋臺剖面圖

2 排樁式橋臺的計算

2.1 荷載組合

密排樁橋臺的最不利荷載組合為：橋跨結(jié)構(gòu)、橋臺和臺后破壞棱體上部布置汽車荷載，并且由于溫度下降、支座摩阻力F和制動力T均指向橋跨[2]，如圖4。

圖4 密排樁橋臺計算圖

2.2 橋臺蓋梁與背墻設(shè)計及計算

橋臺背墻與一般橋臺計算相同，此處不贅述。橋臺蓋梁按樁接柱蓋梁計算，所受外荷載包括上部結(jié)構(gòu)恒載、自重和汽車活載。蓋梁內(nèi)力按連續(xù)梁計算，應(yīng)計入上部結(jié)構(gòu)縱向水平力和活載偏心產(chǎn)生的扭矩，選取支點和跨中截面為計算控制截面。蓋梁計算一般不考慮橋臺背墻的影響，若擋土樁為摩擦樁，則不考慮擋土樁對蓋梁的支承作用。

2.3 密排樁設(shè)計及計算

密排樁按基坑支護擋土結(jié)構(gòu)考慮，上面由橋跨結(jié)構(gòu)與橋臺背墻支頂，可簡化為一定剛度的彈簧支承。下面由土彈簧支頂，按偏心受壓構(gòu)件設(shè)計。樁后作用荷載為樁基中心間距范圍的土壓力，按主動土壓力計算并近似按線性分布考慮。

2.3.1水土壓力計算

(1)對地下水位以上或水土合算的土層：

式中：Pak—排樁外側(cè)，第i層土中計算點的主動土壓力強度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；

σak—排樁外側(cè)計算點的土中豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)，包括自重和附加荷載產(chǎn)生的豎向總應(yīng)力；

Ka,i—第i層土的主動土壓力系數(shù)；

ci、φi—第i層土的粘聚力(kPa)、內(nèi)摩擦角(°)。

(2)對于水土分算的土層

式中：ua—密排樁外側(cè)計算點的水壓力(kPa)。

2.3.2彈簧彈力系數(shù)計算

(1)上部結(jié)構(gòu)簡化彈性支承剛度系數(shù)

式中：kR—計算寬度內(nèi)彈性支承剛度系數(shù)(kN/m)；

λ—支撐不動點調(diào)整系數(shù)，0.5～1，根據(jù)橋臺兩側(cè)臺背土體土性、深度、周邊荷載等條件確定；

αR—支撐松弛系數(shù)，對鋼筋混凝土，取1.0；

E—支撐材料的彈性模量(kPa)；

A—支撐截面面積(m2)；

l0—受壓支撐構(gòu)件的長度(m)；

s—支撐水平間距(m)。

(2)土彈簧水平反力系數(shù)

土彈簧按只受壓考慮，土的水平反力系數(shù)可按下式計算：

ks=m(z-h)

式中：m—土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)(kN/m4)；

z—計算點距地面的深度(m)；

h—計算工況下的基坑開挖深度(m)；

υb—擋土構(gòu)件在坑底處的水平位移量(mm)，當(dāng)此處的水平位移不大于10mm時，可取10mm。

單層土m值也可以用查表方法，多層土須對m值進行換算，具體見《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》D63-2007[7]，本文中不再贅述。

2.3.3密排樁強度計算要點

密排樁強度按承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)偏心受壓構(gòu)件分別計算，其正截面抗壓承載力計算應(yīng)符合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[8]5.3.8條。正常使用極限狀態(tài)驗算時，須按6.4.3條進行裂縫寬度驗算。其最大裂縫寬度限值根據(jù)環(huán)境類別，按規(guī)范表6.4.2取值，最大不超過0.2mm。

2.3.4密排樁橋臺穩(wěn)定性計算

密排樁須按《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》JGJ 120-2012[9]計算嵌固深度穩(wěn)定性、整體滑動穩(wěn)定性、抗隆起穩(wěn)定性驗算。考慮橋梁結(jié)構(gòu)的重要等級，其中嵌固穩(wěn)定安全等級采用一級，安全系數(shù)取1.25。整體穩(wěn)定性驗算中安全等級采用一級，安全系數(shù)取1.35。抗隆起安全等級采用一級，安全系數(shù)取1.8，當(dāng)?shù)酌嬉韵掠熊浫跸屡P層時，抗隆起穩(wěn)定性的驗算部位應(yīng)包括軟弱下臥層。除滿足以上穩(wěn)定性計算要求之外，橋臺密排樁樁長不小于1.3h，嵌固深度不小于0.3h，其中h為樁基出露河床的長度。

3 工程應(yīng)用

廣東省東莞市某鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)某橋梁加固工程,老橋由左中右三幅相互分離的橋組成，根據(jù)檢測資料，中幅橋9m寬須拆除重建，左、右幅橋可維修加固處理。設(shè)計首先對中幅橋采用的橋臺為常規(guī)的順作法一字式橋臺，樁基礎(chǔ)。

施工進場后，按設(shè)計圖施工須開挖橋臺基坑約8m，且須進行河中圍堰后才能施工橋臺承臺基礎(chǔ)，此處由于處于鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)，中幅施工過程中，左右幅交通不能中斷，施工風(fēng)險極大，且施工期預(yù)計最快仍須11個月，整個橋造價約94萬元。后將橋臺優(yōu)化變更為密排樁橋臺，排樁中有2根采用嵌巖樁，其他均采用短樁擋土樁，施工時，在不開挖基坑情況下先施工樁基礎(chǔ)，再開挖約2m基坑至橋臺蓋梁底施工蓋梁，可取消河中圍堰，蓋梁施工完成之后就可進行架梁及臺后回填工作，縮短整個工期約3個月，減少約27%。橋臺造價減少約18萬，減少幅度約20%，關(guān)鍵減少了施工過程中的不確定性風(fēng)險且更加環(huán)保。項目順利按時完工，得到業(yè)主的肯定。

4 結(jié)論

綜上所述，在某些場地條件下，排樁式橋臺能彌補傳統(tǒng)橋臺開挖影響范圍大、施工工期長、工序復(fù)雜、造價高等缺點。能避免橋臺施工過程中開挖深、大深基坑；能減少臺后回填土石方工程量；能減少橋臺施工對現(xiàn)有建筑物、交通、管線、河道的影響；能減少橋臺施工過程的風(fēng)險與施工工期；方案更加環(huán)保，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，值得在類似項目中推廣運用。