超高填土肋板式桥台的桩基础结构分析

马希田，徐 龙，丁少凌

湖北省武汉市中交第二公路勘察设计研究院有限公司二分院，湖北 武汉 430056

1 概述

桥台是桥梁结构的重要组成部分，它除了支承桥跨结构外，还要衔接两岸线路路堤。既要能挡土护岸，又要承受台背填土上车辆荷载所产生的附加侧压力。因此，要求桥梁墩台不仅本身应有足够的强度、刚度和稳定性，而且对地基的承载能力、沉降量、地基与基础之间的摩阻力等也都有一定的要求[1]。肋板式桥台因具有钢筋混凝土用量较少，沿路线设计线方向刚度大的优点，被广泛应用于高速公路桥梁。

随着公路桥梁建设的不断发展，在地基基础条件较好的地区，为减少桥梁工程的造价，有时会利用台后高填土来减少桥梁结构的长度。由于在桥台的前后填土不对称和台前填土碾压差，因此，桥台背承受较大的土压力，如果肋板台桩基刚度较小，在土压力作用下，桥台会产生水平位移，若位移过大，将危及桥梁结构安全[2]。

本文就湖北沪蓉西(宜昌至恩施)高速公路项目中坪坦村大桥的超高肋板式桥台来进行桩基础的结构计算分析，为大家提供一个肋板式桥台在高填土的土压力、重力、地基约束力和上部结构传力等作用下的计算方法，并给出安全、经济、结构合理的桥台设计和施工方案。

2 工程概况与设计资料

此项目段地处鄂西南褶皱山区腹地，由于地形复杂，平地很少，野三关停车区只能全部用高填土来满足设计要求，因此造成坪坦村大桥与停车区相接的左幅桥台只能做成24.2m高，22.668m宽的超高超宽肋板式桥台，这给本桥台的设计提出了很高的要求，经过多次计算和论正，本桥台拟定采用12根桩径为2m的桩，承台厚度采用2.5m。

图1 桥台方案图

设计资料：本桥上部构造采用装配式钢筋混凝土简支T梁，标准跨径为30.00m，计算跨径为28.6m，本跨桥宽由19.789m变宽为22.688m，共有10片T梁均布设置；设计荷载为汽车-20级，挂-100，人群荷载为3.5kN/m2；台帽、耳背墙、肋板用30号钢筋混凝土，承台与桩基础采用25号钢筋混凝土，容重均为γ1=25kN/m3；台后及溜坡填土γ2=17kN/m3；填土的内摩擦角φ＝35°，台背与填土间外摩擦角δ=1/2φ=17.5°粘聚力c=0。 桥台方案图见图1。

本桥台处工程地质条件较好，地基岩土地层大致可分为2层：1）含砾亚粘土；2）弱风化灰岩。其中含砾粘土在3m以内，该处工程地质条件为高路基和台后填土提供了良好的天然地质条件。

3 桥台结构计算分析

3.1 主动土压力计算

根据朗肯土压力理论，主动土压力Ea＝γ2H2KaB/2

其中Ka＝tg2（45°-φ/2）=0.521

H为填土深度；

B为所受土压力的构造物计算宽度；

汽车荷载换算的等代均布土层厚度h1=6×300/（22.668×0.583×24.3×17）=0.330m ；

由以上公式计算以后原地面上以上各构造物的主动土压力见表1。

表1 台后原地面以上各构造物的主动土压力表

台前溜坡填土自重对桥台前侧面的主动土压力

其中Kb＝0.18(查《基础工程》)；

H'为各构造物边缘至坡面的垂直距离[3]；

由以上公式计算台前原地面上以上各构造物的主动土压力见表2。

表2 台前原地面以上各构造物的主动土压力表

3.2 台前、台后填土对基底产生的附加应力计算

台背路基填土对桥台桩尖平面处地基填土上引起的附加应力

对于埋置式桥台，台前锥体对桩尖平面处地基填土上引起的附加应力σ2'＝α2γ2H2

式中：α1、α2为竖向压应力系数，可从《公路桥涵地基与基础设计规范》查用；

H1为台背路基填土的高度（m）；

H2为桩尖平面处的前边缘上的锥体高度（m）；

3.3 结构计算

本桥上部结构恒载反力、支座摩阻力、桥台各构造及土压力在承台底面中心的弯矩如下表3。图2

表3 承台底面中心的弯矩汇总表

把地面线以上桥台所受各种力换算到承台底形心为水平力H=-35137.8kN，竖直力P=58175.56kN，弯矩M=203128.61kN·m

其中：

水平力H：承台底所承受的水平外力，向右为正。

竖向力P：承台底所承受的竖向外力，向下为正。

总弯矩M：承台底面形心处的d合计总弯矩，顺时针为正。

基础的弯曲刚度为0.6EI=0.6×28000×（12πd4/64+4.2×8πd2/4）=2155974KN-m2

桩的弹性变形系数

其中：b1为基础的计算宽度，按基础规范附录六计算。

m：地基土的比例系数，按基础规范附表6.5取用。

EI：基础的弯曲刚度，E为弯曲弹性模量，I为抗弯惯矩。

地基系数m=15000kN/m4：地基土的比例系数，按基础规范附表6.5取用；

桩底竖向地基系数Co=606250：桩底土承载力为1500kPa，按基础规范附表6.6取用；

系数kc=1；

入土部分单桩的平均截面积A=3.14m2；

单桩底面积Ao=3.14m2；

基础露出地面以上长度lo=12.2；

基础入土深度=3；

由以上参数与基础的尺寸，参考基础规范附表6.10并通过桥梁博士弹性多排基础模块计算可得图2。

单桩桩桩顶弯矩∶ Ma = 5859.6kN·m

中间排单桩的桩顶轴力N1=6638.3kN

两边排单桩的桩顶轴力N2=3952.8kN

通过单桩的桩顶弯矩和轴力，按偏心受压构件计算可知本桥桩径为2m是能满足受力配筋要求的。

4 结论与建议

1）超高肋板式桥台的台背土压力随着深度呈线性变化，在设计中，需要考虑较大的土压力作用，增加结构刚度以保证结构安全；

2）超高肋板式桥台的桩基所受轴力较大，应适当加长桩基长度的来减少桩基的沉降量；

3）由于台后填土较高，桩基应在台后路基与锥坡填土按规定压实填至路槽底后开挖进行桩基和承台的施工；

4）超高桥台台前溜坡坡每8m高应设一2m宽的平台，增加台前填土的稳定性和加大填土的反向压力。

[1]吕勇.高填土薄壁式轻型桥台群桩基础结构分析[J].浙江交通科技，2001，2：49-50.

[2]贺薇，王保田.肋板式桥台填土期间的土压力和桥台位移的现场试验研究[J].现代交通技术，2007，4(6)：33-35.

[3]凌治平，易经武.基础工程[M].人民交通出版社，1999.

[4]公路工程地质勘测规范（JTJ064-98).