超高填土肋板式橋臺(tái)臺(tái)前土壓力分析

李中華， 諶 海

（1.中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410200）

隨著我國(guó)交通行業(yè)的快速發(fā)展，橋梁建設(shè)隨之增多，有時(shí)因地形或周邊路網(wǎng)等現(xiàn)場(chǎng)條件限制，需設(shè)置超高橋臺(tái)。肋板式橋臺(tái)除具有結(jié)構(gòu)縱向剛度大、材料用量較少[1]的優(yōu)點(diǎn)外，橋臺(tái)自身承受土壓力也相對(duì)較小，被廣泛應(yīng)用于各級(jí)道路跨線(xiàn)橋。橋臺(tái)作為橋梁的重要組成部分，不僅承受上部結(jié)構(gòu)傳遞來(lái)的支反力等作用；還需承擔(dān)因橋臺(tái)前后填土不對(duì)稱(chēng)，實(shí)際施工中臺(tái)前填土壓實(shí)質(zhì)量難以保證等造成的不平衡水平土壓力。在中低填土橋臺(tái)設(shè)計(jì)中因土壓力不大，往往不考慮臺(tái)前土壓力的有利作用；而在高超填土橋臺(tái)設(shè)計(jì)中土壓力往往是控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性因素，不平衡土壓力使橋臺(tái)及樁基產(chǎn)生水平位移，若水平位移過(guò)大，將危及橋梁結(jié)構(gòu)安全，此時(shí)如何考慮臺(tái)前土壓力的有利作用對(duì)結(jié)果有較大影響。

本文以某臺(tái)后填土達(dá)18.5 m的肋板式橋臺(tái)為背景，采用Midas有限元分析軟件建立橋臺(tái)模型，對(duì)不同比例臺(tái)前土壓力模型的背墻位移、樁基位移、樁頂裂縫等結(jié)果進(jìn)行分析，并與該橋臺(tái)施工中觀測(cè)位移進(jìn)行對(duì)比，對(duì)高橋臺(tái)臺(tái)前土壓力的計(jì)算提出可參考的建議。

1 工程概況

某橋梁受地形及周邊路網(wǎng)等條件限制，橋面距現(xiàn)狀地面高度達(dá)18.5 m。采用肋板式橋臺(tái)，為改善肋板受力，承臺(tái)底提高至現(xiàn)狀地面以上2.5 m，橋臺(tái)采用砂礫石回填，臺(tái)前采用1∶1.5 兩級(jí)放坡結(jié)合重力式擋土墻處理。見(jiàn)圖1。

圖1 臺(tái)背路基處理

橋臺(tái)單幅寬22.99 m，橫向采用3 道肋板，肋板高8.8 m、寬1.4 m，單幅橫橋向設(shè)3 排?160 mm 樁基，間距7.825 m；順橋向設(shè)2 排?160 mm 樁基，間距為4.0 m。樁基為嵌巖樁，嵌入中風(fēng)化花崗巖。見(jiàn)圖2。

圖2 橋臺(tái)

2 臺(tái)前土壓力計(jì)算

2.1 水平土壓力計(jì)算[2]

1）填土引起的荷載集度

式中：γ為土的重度，kN/m3；B為橋臺(tái)的計(jì)算寬度，m；H為計(jì)算土層高度，m；φ為土的內(nèi)摩擦角，（°）；β為填土表面與水平面的夾角，（°）；α為橋臺(tái)背墻與豎直面的夾角，（°）；δ為臺(tái)背與填土間的內(nèi)摩擦角，可取δ=φ/2，（°）。

2）臺(tái)后車(chē)輛荷載引起的荷載集度

式中：h 為汽車(chē)荷載的等代均布土層厚度，m；∑G為布置在B×l0面積內(nèi)的車(chē)輛總重力，kN；l0為臺(tái)后填土的破壞棱體長(zhǎng)度，m。

2.2 模型建立

采用有限元分析軟件Midas Civil，梁?jiǎn)卧M橋臺(tái)各構(gòu)件，共有136個(gè)單元，148個(gè)節(jié)點(diǎn)。見(jiàn)圖3。

圖3 計(jì)算模型

橋臺(tái)樁基的樁土效應(yīng)根據(jù)“m 值法”[3]采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐進(jìn)行模擬，考慮到填土壓實(shí)度影響，僅對(duì)現(xiàn)狀地面以下樁基考慮樁土效應(yīng)，臺(tái)后土壓力計(jì)算至現(xiàn)狀地面線(xiàn)處。

樁身周邊土彈簧K=hibmzi

式中：hi為各土層厚度，m；b 為樁的計(jì)算寬度，m；m 為地基土水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù)；zi為各層土中點(diǎn)到地面距離，m。

分析發(fā)現(xiàn)臺(tái)背土壓力隨臺(tái)后填土高度增加呈二次方遞增關(guān)系[4]，因此超高填土?xí)r土壓力非常大；此時(shí)如完全不考慮臺(tái)前土壓力的有利作用，將對(duì)計(jì)算結(jié)果非常不利?？紤]到臺(tái)前土實(shí)際施工質(zhì)量及壓實(shí)困難等問(wèn)題，若完全考慮臺(tái)前土的有利作用則對(duì)設(shè)計(jì)偏不安全[5]；因此如何考慮臺(tái)前土的作用是一個(gè)值得分析和研究的問(wèn)題，本文對(duì)臺(tái)前土壓力作用分5 種工況分別分析計(jì)算。

1）工況1。臺(tái)后土壓力考慮至現(xiàn)狀地面，不考慮填土對(duì)承臺(tái)及樁基的約束，不考慮臺(tái)前土壓力。

2）工況2。考慮25%的臺(tái)前土壓力，其余同上。

3）工況3?？紤]50%的臺(tái)前土壓力，其余同上。

4）工況4?？紤]75%臺(tái)前土壓力，其余同上。

5）工況5。考慮100%臺(tái)前土壓力，其余同上。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 橋臺(tái)土壓力計(jì)算kN/m

3 計(jì)算結(jié)果分析

以樁頂位移(限值10 mm)、樁基裂縫寬(限值0.2 mm)及樁頂力（不出現(xiàn)負(fù)反力）作為評(píng)定橋臺(tái)結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的主要指標(biāo)并且把背墻位移作為參考指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 橋臺(tái)構(gòu)件受力結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：是否考慮臺(tái)前土壓力的作用對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大，不同比例的臺(tái)前土壓力對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響呈線(xiàn)性分布；當(dāng)考慮50%的臺(tái)前土壓力時(shí)，樁頂位移（9.8 mm）及樁基裂縫寬度（0.16 mm）均可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，背墻頂位移（19.3 mm）也相對(duì)適中。根據(jù)計(jì)算，樁底力在5 種工況作用下，均未出現(xiàn)負(fù)反力，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；因此本文不做詳細(xì)論述。

超高填土橋臺(tái)計(jì)算中因臺(tái)后土壓力特別大，若完全不考慮臺(tái)前土壓力的有利作用雖然計(jì)算結(jié)果偏于安全，但過(guò)于保守的設(shè)計(jì)會(huì)造成資源浪費(fèi)；結(jié)合以往設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)本文認(rèn)為在橋臺(tái)設(shè)計(jì)中考慮50%的臺(tái)前土壓力是適宜的，也是能保證結(jié)構(gòu)安全的。

在后續(xù)施工中，通過(guò)對(duì)橋臺(tái)背墻頂水平位移的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，背墻實(shí)際發(fā)生水平位移約為16 mm，處于考慮50%～75%臺(tái)前土壓力之間，進(jìn)一步驗(yàn)證了在超高填土橋臺(tái)設(shè)計(jì)中考慮50%的臺(tái)前土壓力是較為適宜的。

4 結(jié)論與建議

1）超高填土橋臺(tái)設(shè)計(jì)中是否考慮臺(tái)前土壓力的有利作用對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大影響，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析建議考慮50%的臺(tái)前土壓力；但具體項(xiàng)目中受限于現(xiàn)場(chǎng)情況及施工質(zhì)量，臺(tái)前土壓力的考慮不宜一概而論，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況而定，本文僅提供一定參考。

2）橋臺(tái)土壓力計(jì)算中若承臺(tái)或樁基高出原始地面線(xiàn)，建議土壓力計(jì)算至原始地面線(xiàn)且不考慮原地面以上填土部分的樁-土作用。

3）計(jì)算是基于臺(tái)前溜坡穩(wěn)定的前提，若不能保證臺(tái)前溜坡穩(wěn)定則不應(yīng)考慮臺(tái)前填土的有利作用；因此施工中應(yīng)加強(qiáng)臺(tái)前溜坡的壓實(shí)穩(wěn)定。

4）加強(qiáng)橋臺(tái)處防排水措施。臺(tái)后填土的防排水能力不足，會(huì)改變臺(tái)后土體的內(nèi)摩擦角、黏聚力等，增大其土壓力，特別是高填土橋臺(tái)，計(jì)算參數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致下部荷載顯著增加。