铜陵市沿新大道下穿桥桥台设计简析

杨家发

【摘要】铜陵市沿新大道下穿桥桥位处地质结构复杂，既有软弱下卧层，又有发育程度强烈的溶洞。桥台设计时，通过比选不同型式的桥台，优化桥台结构型式，最终采用空心型式的浅基础桥台，成功地解决了在这样复杂地质情况下的橋台设计。

【关键词】桥台；软弱下卧层；溶洞

工程概况：铜陵市沿新大道是铜陵市主城区东部的一条南北向城市主干道，具有承载过境交通的功能。在沿新大道20+00～25+00的东侧有新建的铜陵市新火车站，站前有三条规划道路与沿新大道相交。考虑到火车站站前道路车辆和行人较多，与过境车辆发生冲突，影响交通通行，因此沿新大道下穿站前的三条规划道路，过境车辆从下穿道路通过。此段沿新大道道路总宽55米，其中下穿道路净宽为16米，为双向四车道。

为了节省工程造价，下穿站前的三条规划道路没有采用箱涵结构，而是采用桥梁型式，采用桥梁型式也便于下穿道路埋设雨水管道。为降低桥梁结构层高度，减小下穿道路的坡度和长度，桥梁采用简支空心板桥。桥下净高不小于4.5米。现以三座桥中的二号桥为例，说明其桥台的设计。二号桥桥面标高在18.8左右，桥下路面标高在11.8左右。桥梁设计荷载为城—A级。

工程地质：二号桥桥位处场地地层自上而下依次为：

（1） 填土：褐黄及灰色，密实，湿～饱和，由混凝土、粘性土及碎石组成，局部底部含腐烂物及有机质。层厚2.30～2.70米，层底标高15.96～16.37米。

（2） 可塑粉质粘土：灰、褐黄及灰黄色，可塑，湿，含氧化铁斑点和灰色高岭土质细条纹，无摇震反应，刀切面稍光滑、稍有光泽，干强度中等，韧性中等。层厚1.10～2.10米，层底标高14.26～14.86米。

（3） 硬塑粉质粘土：褐黄、灰黄及黄灰色，硬塑，稍湿，含铁锰结核和灰色高岭土质细条纹，无摇震反应，刀切面稍光滑、稍有光泽，干强度中等，韧性中等。层厚6.30～7.20米，层底标高7.61～7.93米。承载力基本容许值[fa0]=240 kPa，重度r=19.9KN/m3 。

（4） 残积硬塑粘土：系灰岩风化残积层，棕红及红棕色，硬塑，稍湿，含灰白色高岭土条痕或斑纹及黑色铁锰物质，夹少量泥页岩风化物及灰岩碎块，无摇震反应，刀切面光滑，干强度高，韧性高。层厚0.70～0.80米，层底标高6.90～7.10米。承载力基本容许值[fa0]=220 kPa，重度r=18.0KN/m3 。

（5） 残积可-软塑粘土：系灰岩风化残积层，棕红及红棕色，可-软塑，湿-饱和。该层在场地范围内普遍分布，层厚1.90～2.40米，层底标高4.50～5.20米。承载力基本容许值[fa0]=110 kPa，液性指数IL=0.74。

桥台设计：下面从桥台型式的选择入手简述桥台的设计过程。

对于下穿桥桥台，桩基础是常用的一种桥台型式，它既是成桥的桥台，也是施工过程中的支护挡土结构。采用桩基础桥台，不仅可以避免大开挖，减少开挖土方量，同时它还能保证基坑周边的建筑物及地下管线的安全和正常使用，因此在建筑物密集的城市，下穿立交桥梁的桥台基本上都采用排桩基础或是咬合桩基础。具体到本工程，下穿道路路面标高在11.8左右，而微风化灰岩顶面标高在5.00左右，如采用桩基础，无论作为支护还是作为桥台，都应嵌入到微风化灰岩岩层中一定深度，且桩端底下5m范围内应无岩洞分布⑴，但该岩层中溶洞发育程度强烈，埋深也不符合要求，因此本桥不宜采用桩基础，宜采用浅基础。

桥台收到如下力的作用：自重、土的竖向力和侧压力、上部结构的作用力以及桥头搭板的作用力。其荷载不利组合为：结构自重+土重+土侧压力+汽车荷载（包括冲击力）+汽车制动力+汽车荷载引起的土侧压力。经过试算，桥台基底宽度在4～6米时，基底最大应力约为280 kPa～270 kPa，再增加桥台底板宽度，对减小基底应力不明显，同时也不经济。根据地质报告，硬塑粉质粘土承载力基本容许值[fa0]=240 kPa，虽然桥台基底在天然地面以下8米多，但距下穿道路顶面仅1.78米，由于下穿道路宽16米，桥台后背的土体不能对桥台前趾处土体的隆起破坏起到限制作用，基础埋深只能从下穿道路路面算起⑵，因此，基底应力不予深度修正。显然桥台基底压应力超过该层地基容许压应力，此种桥台不能满足要求。

从扶壁式桥台的受力看，要减小桥台基底应力，可以减小台后填土的重力，也可以将空心板的支承中心线移到桥台底板形心的后侧，以平衡台后土压力对桥台基底重心轴的弯矩，为此将上述的扶壁式桥台改为空心型式的桥台，其构造示意图如下图所示（单位：标高以米计，尺寸以厘米计）。

经计算，每米宽桥台在最不利作用短期效应组合下，竖向力合力N=538KN，对基底重心轴的弯矩M=63KN·m，基底最大压应力为

Pmax=N/A+M/W=538/4.02+63/2.69=157 kPa<[fa0]=240 kPa

基底压应力满足要求。

下面验算基底合力偏心距。

e0=M/N=0.12m

Pmin=N/A-M/W=110 kPa

核心半径ρ= e0/（1- Pmin*A/N）=0.67m

偏心距容许值[e0]《ρ

显然e0<[e0]，作用于桥台基底的合力偏心距满足要求。

桥台的抗倾覆稳定性系数为

K0=s/e0=2.01/0.12=16.75，桥台的抗倾覆稳定满足要求。

对于桥台的抗滑稳定性，两桥台间设置了支撑梁，具体计算此处不再赘述。

下面验算软弱下卧层顶的压应力。

残积可-软塑粘土层顶的压应力为

Pz=γ1*（h+z）+α*（p-γ2*h）

h为基底埋深，h=1.78m

z为基底到残积可-软塑粘土层顶的距离，z=9.838-7.1=2.74m

γ1为深度h+z范围内的土换算重度，经计算γ1=19.69 KN/m3

γ2为深度h范围内的土重度。γ2=19.90KN/m3

α为土中附加应力系数，桥台两沉降缝间距为20米，即l=20米，l/b=4.98，z/b=0.14，查《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）附录M第M.0.1条并直线内插得α=0.98

p为桥台基底压应力，因z/b=0.14，Pmax和Pmin相差不大，故p取距最大压应力点b/3点处压应力值⑶，p=（ Pmin+2* Pmax）/3=142 kPa

Pz=19.69*（1.78+2.74）+0.98*（142-19.9*1.78）=194 kPa

残积可-软塑粘土层顶的容许压应力为

[fa]= [fa0]+ γ1*（h+z）=110+19.69*（1.78+2.74）=199 kPa

Pz<[fa]，残积可-软塑粘土层顶的压应力满足要求。

由于溶洞位于微风化灰岩中，该岩体较完整，结构致密坚硬，基础平面尺寸大于溶洞平面尺寸，基础有足够的支承长度，故不考虑溶洞对桥台基础的影响⑷。

结束语：从本桥的桥台设计可以看出，在复杂地质条件下，桥台型式的选择尤为重要。桥台型式的选择应根据工程具体情况，灵活运用，不可拘泥于常规型式。

参考文献：

[1]《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）第8.5.6条.

[2]《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）第3.3.4条条文说明.

[3]《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）第4.2.6条.

[4]《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）第6.6.5条.