軟土地基橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

文/石武

1 前言

橋梁下部結(jié)構(gòu)包括橋臺(tái)、橋墩和樁基等，下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是橋梁設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)和內(nèi)容，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接決定下部結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性，并影響到上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工。尤其是當(dāng)橋梁處在軟土地基的情況時(shí)，下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度更大，需要考慮的因素更多，必須引起相關(guān)人員的高度重視，使設(shè)計(jì)順利完成，并達(dá)到預(yù)期的安全性、可行性與經(jīng)濟(jì)性等目標(biāo)。

2 工程地質(zhì)與結(jié)構(gòu)選型

某橋梁工程所在場(chǎng)地表層是深度在0.5～2.5m 范圍內(nèi)的粘性土，粘性土的下部是深度在3～13m 范圍內(nèi)的淤泥和淤泥質(zhì)粘土，繼續(xù)向下分別為粘土、亞粘土和花崗石麻巖。在以上地層結(jié)構(gòu)中，淤泥處于流塑狀態(tài)，含水量與壓縮性均較大，且基本不透水，強(qiáng)度極低。在這種地基條件下選擇適宜的墩臺(tái)類型至關(guān)重要，除了決定橋梁能否正常使用，還會(huì)對(duì)工程造價(jià)造成很大的影響。如果因?yàn)榈鼗驅(qū)е露张_(tái)損壞，則會(huì)造成很大的破壞性，并且很難修復(fù)。因受到軟基、填高、軟土與上部結(jié)構(gòu)等多種因素的同時(shí)影響，情況復(fù)雜，工作人員要根據(jù)工程的實(shí)際情況來(lái)分析和考慮。該橋梁所在地區(qū)常用輕型墩臺(tái)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(tái)和柱式墩[1]。

在選擇具體墩臺(tái)類型時(shí)，為盡可能減少軟基對(duì)墩臺(tái)結(jié)構(gòu)造成的影響，應(yīng)減少超靜定數(shù)量，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可適當(dāng)增加樁之間的距離，嚴(yán)格控制樁數(shù)，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(shè)計(jì)要求相近，則樁可以不進(jìn)入基巖層內(nèi)；而如果承載力不足，則應(yīng)對(duì)樁徑予以適當(dāng)增大，并選擇摩擦樁取代嵌巖樁。

3 內(nèi)力計(jì)算

為盡可能減小軟基對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)造成的不利影響，橋梁上部結(jié)構(gòu)大多選擇簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了對(duì)行車條件予以改善，只橋面部分進(jìn)行連續(xù)處理。在這種情況下，橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)成為整個(gè)橋梁工程設(shè)計(jì)的重心，因此內(nèi)力計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確、考慮是否綜合與全面對(duì)工程安危有直接影響[2]。

下部墩臺(tái)受上部恒載的作用力，其計(jì)算沒(méi)有異議。而對(duì)于橋面活載可能對(duì)下部結(jié)構(gòu)造成的影響，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，需要以可能產(chǎn)生的最不利工況為依據(jù)進(jìn)行。在最新的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，針對(duì)活載可能對(duì)下部結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響力，需按以下規(guī)則計(jì)算：如果荷載為對(duì)稱布置，則需按照杠桿法進(jìn)行計(jì)算；如果荷載為偏心布置，則需采用偏心壓力法進(jìn)行計(jì)算。以上兩種荷載布置情況對(duì)應(yīng)的內(nèi)力均應(yīng)取最大值來(lái)控制實(shí)際設(shè)計(jì)工作。事實(shí)上，以上算法只提出了兩種荷載布置情況下的下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，并非每個(gè)截面在最不利工況條件下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，存在以偏概全的問(wèn)題，可能產(chǎn)生危險(xiǎn)因素。對(duì)此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中應(yīng)先確定每個(gè)截面上的內(nèi)力影響線，然后根據(jù)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(duì)應(yīng)的內(nèi)力值（包括最大值與最小值），然后以內(nèi)力包絡(luò)圖為依據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理配筋[3]。近年來(lái)，某些設(shè)計(jì)單位還進(jìn)行了簡(jiǎn)化計(jì)算，即對(duì)于支座數(shù)量較多的上部結(jié)構(gòu)為板和箱梁的橋，其墩臺(tái)蓋梁計(jì)算均按照活載直接作用在蓋梁進(jìn)化而成的連續(xù)梁上進(jìn)行，不再考慮橋面的活載與二期恒載。

除內(nèi)力計(jì)算以外，對(duì)于橋臺(tái)荷載，還應(yīng)考慮搭板的自身重量、土壓與負(fù)摩阻力。尤其是土壓，它對(duì)橋臺(tái)造成的影響比較復(fù)雜，在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中應(yīng)注意下列幾點(diǎn)：

當(dāng)采用鋼筋混凝土薄壁臺(tái)時(shí)，軟基上設(shè)有基樁的鋼筋混凝土薄壁臺(tái)，其土壓的計(jì)算應(yīng)按照深層充分考慮。

當(dāng)采用埋置式橋臺(tái)時(shí)，其土壓需要在填土開(kāi)始前的原地面開(kāi)始計(jì)算；當(dāng)土質(zhì)較差時(shí)，應(yīng)綜合考慮土質(zhì)驗(yàn)算，以此確定是否考慮臺(tái)后存在的深層土可能對(duì)樁水平壓力造成的影響。除此之外，因設(shè)計(jì)過(guò)程中壓力計(jì)算往往按照臺(tái)后不滲水進(jìn)行，所以臺(tái)后應(yīng)使用強(qiáng)度較高、透水性強(qiáng)且穩(wěn)定的回填材料，避免滲水后粘結(jié)力與摩擦角均大幅下降，導(dǎo)致自重增大；橋臺(tái)受到的土壓超過(guò)設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致橋臺(tái)失穩(wěn)。

充分考慮搭板可能對(duì)土壓造成的影響。當(dāng)橋臺(tái)設(shè)置搭板時(shí)，應(yīng)充分考慮搭板設(shè)置后活載土壓發(fā)生的變化可能對(duì)橋臺(tái)造成的影響。

充分考慮橋頭路基發(fā)生滑動(dòng)與沉降可能造成的影響。如果路基產(chǎn)生很大的沉降，則會(huì)引起橋頭跳車等問(wèn)題，導(dǎo)致梁端與臺(tái)背均發(fā)生損壞，而且還會(huì)使豎向土壓和負(fù)摩阻力均增大，導(dǎo)致蓋梁開(kāi)裂或樁基下沉。路基發(fā)生滑動(dòng)會(huì)使橋臺(tái)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，橋臺(tái)承受的水平方向土壓可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)計(jì)算值，因此工作人員必須做好驗(yàn)算[4]。如果以上兩項(xiàng)均無(wú)法達(dá)到要求，則應(yīng)采取有效措施加以處理，比如采用粉噴樁對(duì)橋頭處的軟基進(jìn)行處理。

4 結(jié)構(gòu)配筋

對(duì)于截面相等的連續(xù)蓋梁，宜采用容許應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)條件允許時(shí)也可使用極限法，但注意不可完全套用，并在負(fù)彎矩處考慮一定余量。而對(duì)于變截面的連續(xù)箱梁，不可使用極限法，僅可以采用容許應(yīng)力法來(lái)計(jì)算。在蓋梁中，抗彎配筋應(yīng)充分考慮蓋梁可能受到的扭、彎、剪等各項(xiàng)影響以及下部結(jié)構(gòu)在橋梁中的重要性，對(duì)裂縫的控制提出很高要求；另外，配筋方法通常不控制設(shè)計(jì)，而是根據(jù)裂縫的寬度對(duì)配筋進(jìn)行控制。在抗剪設(shè)計(jì)中，不同方法都對(duì)混凝土和箍筋承擔(dān)的剪力給出了明確規(guī)定，使梁體不得不設(shè)置很多斜剪力筋，這會(huì)給梁中的布筋造成很大困難。在實(shí)際的配筋過(guò)程中，可采用多設(shè)置箍筋的方法增加混凝土和箍筋承擔(dān)的剪力，以此保證配筋有較大的自由度[5]。在對(duì)蓋梁進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)的過(guò)程中，工作人員要嚴(yán)格遵循強(qiáng)剪弱彎的原則，很多梁體發(fā)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(dāng)需要在施工過(guò)程中進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)，大多使用容許應(yīng)力法。

在樁筋設(shè)計(jì)過(guò)程中，抗彎筋的設(shè)計(jì)大多采用極限法，并且相關(guān)規(guī)范中提出了詳細(xì)的計(jì)算方法?；鶚恫煌孛嫔系匿摻钆渲?，從理論方面講，需要以彎矩包絡(luò)圖為依據(jù)進(jìn)行，當(dāng)處在軟基范圍內(nèi)時(shí)，樁體的主筋需要從軟土層中穿過(guò)。對(duì)摩擦樁而言，配筋設(shè)置中應(yīng)考慮下列幾點(diǎn)：減少鋼筋使用，避免鋼筋籠長(zhǎng)度因?yàn)闃堕L(zhǎng)的變化而改變，防止底部斷樁，并降低斷樁后的處置難度，預(yù)防發(fā)生扁擔(dān)樁。在樁體混凝土澆筑過(guò)程中，澆筑剛開(kāi)始時(shí)容易發(fā)生卡管的問(wèn)題，此時(shí)如果配筋合理，則當(dāng)?shù)撞堪l(fā)生斷樁時(shí)，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(guò)對(duì)舊橋的綜合調(diào)查可知，以橋臺(tái)破壞最為常見(jiàn)，這和橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的受力比較復(fù)雜有關(guān)，橋臺(tái)破壞主要表現(xiàn)為各部位開(kāi)裂，特別是不同構(gòu)件之間連接位置的開(kāi)裂。在過(guò)去，橋臺(tái)破壞原因主要?dú)w結(jié)為超載，但和設(shè)計(jì)過(guò)程中忽略了一些重要因素也有直接關(guān)系，包括以下幾個(gè)方面：

蓋梁施工完成后和混凝土底模分開(kāi)，防止自重變大。

臺(tái)后沿順橋向的水平方向土壓給蓋梁帶來(lái)的水平彎矩可能導(dǎo)致蓋梁跨中產(chǎn)生豎向裂縫；同理，側(cè)水平方向的土壓會(huì)導(dǎo)致耳墻根部產(chǎn)生彎裂。

橋臺(tái)發(fā)生前移會(huì)使有縫橋變?yōu)闊o(wú)縫橋，上部結(jié)構(gòu)給橋臺(tái)背墻施加的推力可平衡臺(tái)后土壓，但這樣會(huì)帶來(lái)以下影響：背墻從根部開(kāi)始產(chǎn)生剪裂、蓋梁挑出處從支撐根部開(kāi)始產(chǎn)生斜下彎裂縫、臺(tái)身和蓋梁之間與樁基和臺(tái)身之間的連接部位產(chǎn)生彎裂。

橋臺(tái)受不同作用可能產(chǎn)生很大扭矩，導(dǎo)致蓋梁產(chǎn)生扭剪破壞，最后橋頭處的路基發(fā)生下沉，導(dǎo)致梁端或背墻處因?yàn)槭艿捷^大活載而產(chǎn)生破壞[7]。

基于此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中應(yīng)采用為橋臺(tái)蓋梁增加抗剪和抗扭箍筋或斜筋的方法來(lái)加強(qiáng)，同時(shí)還要在蓋梁之前適當(dāng)布置抗平彎鋼筋；另外，在條件允許的情況下，還應(yīng)增加耳墻和背墻的結(jié)構(gòu)尺寸與配筋，增大臺(tái)身的結(jié)構(gòu)尺寸和配筋，增大樁基和蓋梁或臺(tái)身之間連接部位的根部配筋，并做好橋臺(tái)前后軟土地基的綜合處理工作。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身就是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，尤其是當(dāng)橋梁建設(shè)在有軟基分布的地區(qū)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分考慮工程的實(shí)際情況，做到具體問(wèn)題具體分析，有效解決各方面問(wèn)題，同時(shí)在設(shè)計(jì)中還應(yīng)堅(jiān)持揚(yáng)長(zhǎng)避短與推陳出新等各項(xiàng)原則，以此保證下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量，為之后的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與橋梁施工奠定良好基礎(chǔ)，防止質(zhì)量或安全問(wèn)題發(fā)生。