劉承啟

(中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司山東分院 青島市 266000)

1 工程概況

某新建排水河道工程中，設(shè)計(jì)河道長度約1600m，河道寬度19m，河槽橫斷面采用矩形斷面。根據(jù)工程總體方案設(shè)計(jì)河道下穿某現(xiàn)狀市政路，因而該市政路需新建一座橋涵上跨設(shè)計(jì)河道?，F(xiàn)狀道路寬度為3m人行道+18m車行道+3m人行道=24m寬，現(xiàn)狀道路標(biāo)高為4.2m左右，橋位處洪水位標(biāo)高為3.23m。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，新設(shè)橋涵處場地存在淤泥質(zhì)軟土層，該土層地基承載力特征值較低為60～70kPa，不適宜直接作為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的持力層，且現(xiàn)場淤泥質(zhì)土層較厚。

2 橋涵方案布置

2.1 結(jié)構(gòu)方案選擇

在方案研究階段，本工程對如下三種總體布置方案進(jìn)行了對比分析：

(1)方案1：采用單跨20m先張法預(yù)制空心板橋，結(jié)構(gòu)層厚度：15cm鋪裝層+95cm空心板厚度，該方案阻水面積小，下部結(jié)構(gòu)施工的同時(shí)進(jìn)行空心板的預(yù)制，整體施工速度快。但由于結(jié)構(gòu)厚度較大，受現(xiàn)狀場地標(biāo)高限制，該方案需抬高道路設(shè)計(jì)標(biāo)高，對現(xiàn)狀道路影響較大。

(2)方案2：采用2×10m先張法預(yù)制空心板橋，結(jié)構(gòu)層厚度：15cm鋪裝層+65cm空心板厚度，結(jié)構(gòu)厚度較方案1有所優(yōu)化。由于河道橫斷面為矩形河槽，方案1、方案2均需設(shè)置較高的橋臺(tái)以起到河岸擋墻作用，且橋梁基礎(chǔ)由于地基情況較差，需采用較長的樁基礎(chǔ)穿過淤泥質(zhì)軟土層。

(3)方案3：采用三孔鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱涵結(jié)構(gòu)，由于箱涵具有良好的整體性、單孔跨徑減小，結(jié)構(gòu)板厚最小。整體底板對地基承載力要求較低，因此基礎(chǔ)的開挖深度優(yōu)于方案1和方案2，基礎(chǔ)采用復(fù)合地基形式以滿足承載力要求。同時(shí)整體箱涵方案不需設(shè)置橋梁支座及伸縮縫裝置，后期結(jié)構(gòu)維護(hù)簡便。

綜合考慮本工程橋涵位于建成區(qū)，受設(shè)計(jì)洪水位及現(xiàn)狀道路標(biāo)高的限制，最終工程采用方案3現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋涵斷面布置為三孔整體箱涵結(jié)構(gòu)，凈寬度6+7+6=19m，凈高度3.37～3.55m，橫橋向通過箱涵凈高度的變化實(shí)現(xiàn)道路的橫坡設(shè)置，箱涵頂面設(shè)置防水層及路面面層，不再設(shè)置調(diào)平層。

箱涵沿道路中心線設(shè)置一道沉降縫，沉降縫位于道路黃線下，縫寬2cm。箱涵在河道的兩端分別設(shè)置有河底鋪砌和截水墻，以確保箱涵基底不受沖刷影響。河底鋪砌采用M10級水泥砂漿砌MU30片石，厚度40cm。圖1、圖2為橋涵縱橋向、橫橋向總體布置圖。

圖1 縱橋向總體布置(單位：cm)

圖2 橫橋向總體布置(單位：cm)

箱涵頂板、底板、側(cè)墻厚度50cm，中墻厚度40cm，箱涵每孔頂?shù)装迮c側(cè)墻中墻倒角處設(shè)腋角尺寸為30cm×30cm。箱涵橫橋向兩端在人行道位置設(shè)置0.5m寬懸臂板，以優(yōu)化外觀效果。兩中墻設(shè)置分水尖，箱涵沿道路方向在兩側(cè)設(shè)置牛腿及搭板，新舊瀝青路面進(jìn)行搭接處理。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 模型建立

整體箱涵計(jì)算采用有限元程序Midas/Civil軟件[1]，箱涵結(jié)構(gòu)均為單向板，建模取車行道下箱涵中心線方向1m寬框架進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 midas計(jì)算模型

箱涵側(cè)壁及底板均施加彈簧支撐，計(jì)算考慮的荷載和作用有：結(jié)構(gòu)自重、橋面鋪裝、土層及地下水的側(cè)向壓力；汽車荷載按城-A級、系統(tǒng)升降溫、涵洞內(nèi)的流水壓力等；同時(shí)由于箱涵頂面沒有覆土直接鋪設(shè)路面面層結(jié)構(gòu)，應(yīng)按照規(guī)范要求考慮頂板溫度梯度的作用對結(jié)構(gòu)受力的影響。

3.2 汽車荷載加載

汽車荷載根據(jù)規(guī)范要求：橋梁結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算采用車道荷載，局部加載、涵洞等計(jì)算采用車輛荷載，因此建議本工程分別按照車道荷載和車輛荷載兩種加載模式計(jì)算進(jìn)行對比。

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]4.2節(jié)，計(jì)算箱梁頂板在車輛荷載作用下的縱橋向荷載分布寬度，根據(jù)荷載分布寬度換算出車輛荷載的單位寬度作用力，按照影響線進(jìn)行最不利加載。

提取車道荷載和車輛荷載加載模式下的彎矩包絡(luò)圖如圖4～5所示，頂板中支點(diǎn)最大負(fù)彎矩：車道荷載下為-79.6kN·m，車輛荷載下為-86.5kN·m，兩者相差8.7%。頂板中跨跨中最大正彎矩：車道荷載下為75.3 kN·m，車輛荷載下為75.4 kN·m，兩者基本一致，底板對應(yīng)彎矩的差異較頂板更大。按規(guī)范要求車輛荷載加載分項(xiàng)系數(shù)為1.8，大于車道荷載的1.4，因此本工程車輛荷載加載起設(shè)計(jì)控制作用。

圖4 車道荷載加載模式下彎矩包絡(luò)圖(單位：kN·m)

圖5 車輛荷載加載模式下彎矩包絡(luò)圖(單位：kN·m)

3.3 計(jì)算結(jié)果提取

箱涵頂板、底板控制截面的各項(xiàng)主要荷載內(nèi)力值見表1，基本組合下的結(jié)構(gòu)的頂?shù)装鍙澗匕j(luò)圖如圖6所示，箱涵頂板最大負(fù)彎矩-293kN·m，最大正彎矩247.0kN·m；底板最大負(fù)彎矩-335.0kN·m，最大正彎矩166.9kN·m。對于箱梁頂?shù)装?，各?xiàng)荷載、作用中車輛荷載引起內(nèi)力值最大，溫度梯度的作用對頂板產(chǎn)生的彎矩影響同樣不可忽略。

圖6 基本組合下箱涵頂?shù)装鍙澗匕j(luò)圖(單位：kN·m)

表1 頂?shù)装蹇刂菩越孛鎯?nèi)力值表

箱涵標(biāo)準(zhǔn)組合下基底反力通過提取模型中箱涵底板彈簧的支反力和對應(yīng)分布寬度，計(jì)算得到箱涵基底最大應(yīng)力pmax=支反力/分布寬度=44.5/0.375=118.7kPa，因此設(shè)計(jì)要求地基承載力達(dá)到120kPa。

由于橋涵采用閉合框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)層頂面直接鋪設(shè)路面面層，需要對結(jié)構(gòu)的整體抗浮穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。箱涵自身重力P1=26×27.8=721.9kN，鋪裝重力P2=0.1×24×20.8=49.9kN，結(jié)構(gòu)所受浮力P3=10×3.49×20.8=725.9kN。結(jié)構(gòu)抗浮系數(shù)K=(721.9+49.9)/725.9=1.06>1.05，因此抗浮計(jì)算滿足要求。

4 復(fù)合地基設(shè)計(jì)

4.1 復(fù)合地基方案

由于箱涵基底位于淤泥質(zhì)軟土層，地基可采用換填處理或復(fù)合地基方案[3]。由于場地淤泥質(zhì)土層較厚，換填方案的挖除換填工程量較大，經(jīng)濟(jì)性及可靠性欠佳，因此考慮采用復(fù)合地基方案。復(fù)合地基采用混凝土勁性體地基處理方法，相比于水泥攪拌樁復(fù)合地基方案，勁性體方案構(gòu)件采用預(yù)制施工，勁性體管樁質(zhì)量可靠、現(xiàn)場施工速度快，且施工過程中對環(huán)境影響較小。

設(shè)計(jì)勁性體管樁外徑400mm，壁厚60mm，豎向抗壓承載力設(shè)計(jì)值1320kN。樁長9m，樁距2.5m，等邊三角形布樁，管樁嵌入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層0.5m。樁尖采用十字形鋼樁尖，樁身混凝土抗?jié)B等級要求不小于P10。

樁頂設(shè)置尺寸為1.2m×1.2m×0.3m的C40鋼筋混凝土樁帽，褥墊層采用10cm級配碎石+雙向土工格柵+30cm級配碎石，褥墊層碎石層要求級配良好。

4.2 復(fù)合地基承載力驗(yàn)算

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，增強(qiáng)體單樁豎向承載力特征值計(jì)算分析如下：

按地勘報(bào)告樁側(cè)阻力特征值qsi及對應(yīng)土層厚度li值：淤泥質(zhì)土側(cè)阻力特征值10kPa考慮5m厚，粉質(zhì)粘土側(cè)阻力特征值30kPa考慮1.5m厚，中粗砂側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值42.5kPa考慮2.5m厚，強(qiáng)風(fēng)化樁端阻力特征值qp為3400kPa，樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)α取0.75。

單樁承載力Ra=∑up×qsi×li+α×qp×Ap=573kN<樁自身承載力特征值，取Ra=573kN。

式中：up為樁的周長；Ap為樁截面積。

式中：d為樁基直徑；s為樁基布置間距。

單樁承載力發(fā)揮系數(shù)λ取1.0，樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β取0.4，處理后樁間土承載力特征值fsk取60kPa。

復(fù)合地基的承載力特征值Fspk=λ×m×Ra/Ap+β×(1-m)×fsk=129.4kPa>120kPa，滿足箱涵地基承載力要求。

4.3 復(fù)合地基現(xiàn)場施工

管樁可采用錘擊法打入或靜壓法施工，施工機(jī)械及沉樁工藝按照相關(guān)管樁技術(shù)要求及標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，沉樁過程中樁身垂直度偏差不得超過0.5%；管樁施工前要先進(jìn)行試樁，并進(jìn)行單樁承載力試驗(yàn)，設(shè)計(jì)單樁承載力不小于573kN，滿足要求后方可進(jìn)行管樁施工，并進(jìn)行成樁質(zhì)量檢測。

現(xiàn)場勁性體管樁采用了錘擊法打入施工。勁性體管樁采用預(yù)制成品，現(xiàn)場錘擊打入，整體施工速度較快，但施工過程中錘擊產(chǎn)生的地面振動(dòng)較大。箱涵與現(xiàn)狀一處污水管道之間的位置較近，施工時(shí)采用了挖隔振溝的方式減小錘擊振動(dòng)對于管線的影響，確保施工過程中管線的安全。

5 結(jié)論

(1)本工程新建跨河橋涵受制于現(xiàn)狀道路標(biāo)高和設(shè)計(jì)洪水位的限制，采用了多孔小跨徑整體鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體性好、板厚度較薄，同時(shí)結(jié)構(gòu)對基底承載力要求較低，方案具備一定優(yōu)勢和參考價(jià)值。

(2)箱涵采用有限元軟件進(jìn)行整體計(jì)算分析，并分別按照車道荷載和車輛荷載加載，本工程計(jì)算中車輛荷載的加載起控制作用。

(3)對于較厚的淤泥質(zhì)軟土地基，采用勁性體管樁的復(fù)合地基方案，方案總體施工簡便、開挖深度小，滿足了箱涵承載力要求。但應(yīng)注意施工期間對于既有構(gòu)筑物、管線的擾動(dòng)及保護(hù)問題。