吳景科，顏光淦

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)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(shí)，業(yè)內(nèi)公認(rèn)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(qū)橋頭路堤填筑會(huì)導(dǎo)致橋臺(tái)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(jié)構(gòu)的正常使用。如何考慮軟基橋頭路堤填筑對(duì)橋臺(tái)樁基的影響，已引起業(yè)內(nèi)高度重視。目前，已有很多學(xué)者對(duì)各類軟土地區(qū)橋臺(tái)樁基展開了相關(guān)研究[2]。

國(guó)內(nèi)每年修建的中小橋眾多，為節(jié)省工程投資，大部分橋梁上下部結(jié)構(gòu)采用通用結(jié)構(gòu)型式。位于軟土地區(qū)的中小橋建設(shè)過程中，由于橋梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力明確，一般中小橋的參建各方忽視軟基對(duì)橋臺(tái)的影響，設(shè)計(jì)方控制好樁基的靜態(tài)水平位移不超過規(guī)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(jīng)驗(yàn)公式，未能做到放之四海而皆準(zhǔn)，江門市濱江新區(qū)位于珠江西岸，屬于典型軟土地區(qū)，當(dāng)?shù)匾步ㄔO(shè)很多類似的中橋，按常規(guī)方式設(shè)計(jì)和施工，目前均安全運(yùn)營(yíng)，但橋梁伸縮縫損壞等病害依然存在。然而，江門市濱江新區(qū)人工湖南路中橋建設(shè)過程中，由于施工單位未按照設(shè)計(jì)要求的施工順序進(jìn)行架梁施工，正在做架梁前準(zhǔn)備時(shí)，橋臺(tái)一度出現(xiàn)多達(dá)2.2 m的水平向大位移，橋臺(tái)樁基斷裂等嚴(yán)重的質(zhì)量事故。經(jīng)過修復(fù)后，橋梁施工完成后，經(jīng)過復(fù)測(cè)，橋臺(tái)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(tái)位移的成因，提出優(yōu)化方案，便于更好地優(yōu)化設(shè)計(jì)，為同類型的橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

江門市濱江新區(qū)人工湖南路中橋上部結(jié)構(gòu)采用2×20 m預(yù)應(yīng)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(zhǎng)45 m。下部結(jié)構(gòu)采用薄壁式橋臺(tái)，雙排直徑為1.2 m的樁基，均嵌入中風(fēng)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(shè)有系梁，均嵌入中風(fēng)化粉砂巖不小于1.5d。樁基所處地層軟基厚達(dá)13 m，流塑性。設(shè)計(jì)汽車荷載為公路-Ⅰ級(jí)。

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(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)

江門市濱江新區(qū)人工湖南路中橋橋臺(tái)出現(xiàn)大滑移后，修復(fù)時(shí)，橋臺(tái)的樁基全部廢棄，橋墩樁基經(jīng)過檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)樁基承載力未能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，但還能繼續(xù)使用，故多加2根樁基，通過系梁共同受力。橋臺(tái)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(shí)臺(tái)前設(shè)立反壓互道。施工嚴(yán)格按照施工規(guī)范進(jìn)行，先架梁后進(jìn)行臺(tái)后填土，臺(tái)后換成輕質(zhì)土。但架梁時(shí)，經(jīng)過3個(gè)月的反復(fù)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，橋臺(tái)背墻頂部仍存在往河心側(cè)2～3 cm的水平位移，擠壓了背墻和空心板板端的預(yù)留4 cm空隙，嚴(yán)重影響到下一步的伸縮縫安裝工序。橋臺(tái)的背墻頂部存在2～3 cm的水平位移，橋臺(tái)和橋臺(tái)樁基作為一個(gè)受力共同體受到臺(tái)后主動(dòng)壓力作用，產(chǎn)生了小于5°的傾斜角。橋臺(tái)再次產(chǎn)生二次微小滑移，橋臺(tái)和橋臺(tái)樁基需檢測(cè)，確保橋梁的下部結(jié)構(gòu)安全，經(jīng)過檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)受損的情況。

在全橋范圍內(nèi)行車道上不設(shè)伸縮縫的橋梁為無伸縮縫橋梁，可分為半整體式橋臺(tái)無伸縮縫橋梁（簡(jiǎn)稱半整體式橋臺(tái)橋梁,只傳遞剪力Q不傳遞彎矩M）和整體式橋臺(tái)無伸縮縫橋梁（簡(jiǎn)稱整體式橋臺(tái)橋梁，傳遞Q和M）[3]。充分考慮到南路中橋?yàn)楹?jiǎn)支梁橋，受力明確，橋梁規(guī)模較小，橋梁整體升降溫作用下，產(chǎn)生的溫度二次內(nèi)力可以忽略不計(jì)，設(shè)計(jì)優(yōu)化方案采用全橋取消伸縮縫，做成橋臺(tái)連續(xù)，形成半整體式橋梁。通過預(yù)留橋面切割縫，填筑瀝青，適應(yīng)橋面的梯度變化。目前，有學(xué)者也提出中小橋無需設(shè)置伸縮縫。橋臺(tái)背墻與空心板板端縫隙被擠壓，避免產(chǎn)生兩者的碰撞，影響結(jié)構(gòu)的耐久性，在兩者縫隙中設(shè)置一條細(xì)粒式混凝土抗壓帶，起到緩沖的作用。橋臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 橋臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖（單位：cm）

3 全橋模擬

3.1 模型建立

江門市濱江新區(qū)人工湖南路中橋優(yōu)化方案的核心是取消伸縮縫，全橋均不設(shè)伸縮縫，通過橋面整體化層與橋臺(tái)背墻連成整體，轉(zhuǎn)換成橋臺(tái)連續(xù)，從而變成半整體式橋臺(tái)橋梁。假設(shè)橋臺(tái)的樁基水平位移滿足規(guī)范，橋梁結(jié)構(gòu)屬于常規(guī)簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，通過橋臺(tái)伸縮縫來適應(yīng)升降溫的變化。然而優(yōu)化方案中無伸縮縫，通過橋臺(tái)與空心板連成一體共同適應(yīng)溫度的升降作用，現(xiàn)采用Midas civil 2011有限元軟件對(duì)南路中橋進(jìn)行整體受力分析。主要分析溫度的升降、臺(tái)后主動(dòng)土壓力對(duì)半整體式橋臺(tái)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(jì)算模型

3.2 模型計(jì)算假定

模型中，采用土彈簧近似模擬樁的側(cè)向土壓力和樁端支撐力。按照地基規(guī)范中取m值，采用m法計(jì)算樁基每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的三向彈簧剛度SDX、SDY、SDZ。中橋橋臺(tái)背墻與空心板板端間、板端間的混凝土塊采用梁?jiǎn)卧M，并且釋放兩端約束，接近實(shí)際混凝土塊只受壓；單跨19片空心板采用梁格法模擬；橋臺(tái)（包括承臺(tái)）采用實(shí)體單元模擬；樁基采用梁?jiǎn)卧M，橋墩、蓋梁、樁基均采用梁?jiǎn)卧M。按照現(xiàn)行規(guī)范，查獲江門地區(qū)溫度取值為：升溫20℃和降溫20℃。臺(tái)后路基填土高度取4.5 m。

表1 地層參數(shù) kN/m4

4 結(jié)果分析

為了敘述方便，本文采用國(guó)際上通用的表達(dá)方式，即靠近路基排樁稱為前樁，遠(yuǎn)離路基排樁稱為后樁[4]。本橋梁考慮升降溫20℃時(shí)，橋臺(tái)處和橋墩處空心板端產(chǎn)生的彎矩、剪力、軸力，由于橋梁本質(zhì)還是簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，未改變其受力形式，仍屬于靜定結(jié)構(gòu)，因此兩跨空心板的受力一致，在此僅列出一跨20 m預(yù)應(yīng)力空心板的受力情況?？紤]橋梁整體升降溫后，空心板的內(nèi)力如表2、表3所示。橋臺(tái)連續(xù)后，空心板的內(nèi)力分布情況與橋臺(tái)處設(shè)伸縮縫時(shí)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(nèi)，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響可忽略不計(jì)。

表2 升溫時(shí)空心板兩端的內(nèi)力結(jié)果

表3 降溫時(shí)空心板兩端的內(nèi)力結(jié)果

圖5 升溫時(shí)樁基頂端的水平位移

圖6 降溫時(shí)樁基頂端的水平位移

5 結(jié)語

a）半整體式橋臺(tái)橋梁只傳遞剪力，不傳遞彎矩。結(jié)果顯示背墻未出現(xiàn)與橋面鋪裝層連成一體后產(chǎn)生裂縫的現(xiàn)象。

b）結(jié)構(gòu)整體剛度較好。半整體式橋臺(tái)橋梁有較好的溫度適應(yīng)性。溫度荷載作用下，結(jié)構(gòu)-土存在側(cè)向和豎向的共同作用，是一種相對(duì)活載不敏感結(jié)構(gòu)；相對(duì)整體式橋臺(tái)，半整體式橋臺(tái)在溫度荷載作用下應(yīng)力集中得到很大程度的緩解。

c）半整體式橋臺(tái)橋梁各構(gòu)件受力均勻合理，結(jié)構(gòu)整體剛度大，但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意季節(jié)性溫度荷載存在正負(fù)交替作用，對(duì)上、下部結(jié)構(gòu)按交變受力的壓、彎、剪構(gòu)件驗(yàn)算。

d）軟基是世界難題，從理論到實(shí)際應(yīng)用，仍依靠經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)手段監(jiān)控工程施工質(zhì)量。橋梁設(shè)計(jì)前期一定要詳細(xì)鉆探，探明橋位地質(zhì)情況，根據(jù)上部構(gòu)造對(duì)承載力、變形及穩(wěn)定性的要求，結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件，進(jìn)行充分研究后決定應(yīng)采取的設(shè)計(jì)方案和施工方案，以確保橋臺(tái)穩(wěn)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(shù)細(xì)節(jié)，留下工程隱患，望本文能向類似的工程提供一定的設(shè)計(jì)和管理依據(jù)。