软土地基桥梁下部结构设计研究

文/石武

1 前言

桥梁下部结构包括桥台、桥墩和桩基等，下部结构设计是桥梁设计的主要环节和内容，其设计质量直接决定下部结构的安全性与稳定性，并影响到上部结构的设计与施工。尤其是当桥梁处在软土地基的情况时，下部结构设计难度更大，需要考虑的因素更多，必须引起相关人员的高度重视，使设计顺利完成，并达到预期的安全性、可行性与经济性等目标。

2 工程地质与结构选型

某桥梁工程所在场地表层是深度在0.5～2.5m 范围内的粘性土，粘性土的下部是深度在3～13m 范围内的淤泥和淤泥质粘土，继续向下分别为粘土、亚粘土和花岗石麻岩。在以上地层结构中，淤泥处于流塑状态，含水量与压缩性均较大，且基本不透水，强度极低。在这种地基条件下选择适宜的墩台类型至关重要，除了决定桥梁能否正常使用，还会对工程造价造成很大的影响。如果因为地基原因导致墩台损坏，则会造成很大的破坏性，并且很难修复。因受到软基、填高、软土与上部结构等多种因素的同时影响，情况复杂，工作人员要根据工程的实际情况来分析和考虑。该桥梁所在地区常用轻型墩台包括以下几种：钢筋混凝土薄壁墩、柔性排架式墩、埋置式桩柱式桥台和柱式墩[1]。

在选择具体墩台类型时，为尽可能减少软基对墩台结构造成的影响，应减少超静定数量，在设计过程中可适当增加桩之间的距离，严格控制桩数，以此减少工程成本。如果桩的底部与基岩表面距离很近，承载力与设计要求相近，则桩可以不进入基岩层内；而如果承载力不足，则应对桩径予以适当增大，并选择摩擦桩取代嵌岩桩。

3 内力计算

为尽可能减小软基对超静定结构造成的不利影响，桥梁上部结构大多选择简支结构，同时为了对行车条件予以改善，只桥面部分进行连续处理。在这种情况下，桥梁下部结构设计会成为整个桥梁工程设计的重心，因此内力计算结果是否准确、考虑是否综合与全面对工程安危有直接影响[2]。

下部墩台受上部恒载的作用力，其计算没有异议。而对于桥面活载可能对下部结构造成的影响，根据相关规范，需要以可能产生的最不利工况为依据进行。在最新的相关标准中，针对活载可能对下部结构带来的影响力，需按以下规则计算：如果荷载为对称布置，则需按照杠杆法进行计算；如果荷载为偏心布置，则需采用偏心压力法进行计算。以上两种荷载布置情况对应的内力均应取最大值来控制实际设计工作。事实上，以上算法只提出了两种荷载布置情况下的下部结构内力计算，并非每个截面在最不利工况条件下的结构内力计算，存在以偏概全的问题，可能产生危险因素。对此，在实际的设计中应先确定每个截面上的内力影响线，然后根据影响线采用杠杆法与偏心法完成最不利工况的荷载横向布置，由此确定不同截面对应的内力值（包括最大值与最小值），然后以内力包络图为依据对结构进行合理配筋[3]。近年来，某些设计单位还进行了简化计算，即对于支座数量较多的上部结构为板和箱梁的桥，其墩台盖梁计算均按照活载直接作用在盖梁进化而成的连续梁上进行，不再考虑桥面的活载与二期恒载。

除内力计算以外，对于桥台荷载，还应考虑搭板的自身重量、土压与负摩阻力。尤其是土压，它对桥台造成的影响比较复杂，在实际的设计工作中应注意下列几点：

当采用钢筋混凝土薄壁台时，软基上设有基桩的钢筋混凝土薄壁台，其土压的计算应按照深层充分考虑。

当采用埋置式桥台时，其土压需要在填土开始前的原地面开始计算；当土质较差时，应综合考虑土质验算，以此确定是否考虑台后存在的深层土可能对桩水平压力造成的影响。除此之外，因设计过程中压力计算往往按照台后不渗水进行，所以台后应使用强度较高、透水性强且稳定的回填材料，避免渗水后粘结力与摩擦角均大幅下降，导致自重增大；桥台受到的土压超过设计值，导致桥台失稳。

充分考虑搭板可能对土压造成的影响。当桥台设置搭板时，应充分考虑搭板设置后活载土压发生的变化可能对桥台造成的影响。

充分考虑桥头路基发生滑动与沉降可能造成的影响。如果路基产生很大的沉降，则会引起桥头跳车等问题，导致梁端与台背均发生损坏，而且还会使竖向土压和负摩阻力均增大，导致盖梁开裂或桩基下沉。路基发生滑动会使桥台产生严重破坏，桥台承受的水平方向土压可能远远超过计算值，因此工作人员必须做好验算[4]。如果以上两项均无法达到要求，则应采取有效措施加以处理，比如采用粉喷桩对桥头处的软基进行处理。

4 结构配筋

对于截面相等的连续盖梁，宜采用容许应力法进行计算；当条件允许时也可使用极限法，但注意不可完全套用，并在负弯矩处考虑一定余量。而对于变截面的连续箱梁，不可使用极限法，仅可以采用容许应力法来计算。在盖梁中，抗弯配筋应充分考虑盖梁可能受到的扭、弯、剪等各项影响以及下部结构在桥梁中的重要性，对裂缝的控制提出很高要求；另外，配筋方法通常不控制设计，而是根据裂缝的宽度对配筋进行控制。在抗剪设计中，不同方法都对混凝土和箍筋承担的剪力给出了明确规定，使梁体不得不设置很多斜剪力筋，这会给梁中的布筋造成很大困难。在实际的配筋过程中，可采用多设置箍筋的方法增加混凝土和箍筋承担的剪力，以此保证配筋有较大的自由度[5]。在对盖梁进行配筋设计的过程中，工作人员要严格遵循强剪弱弯的原则，很多梁体发生破坏的原因都是剪力不足，而抗弯筋满足基本要求即可，但抗剪筋必须有一定富余。当需要在施工过程中进行应力计算时，大多使用容许应力法。

在桩筋设计过程中，抗弯筋的设计大多采用极限法，并且相关规范中提出了详细的计算方法。基桩不同截面上的钢筋配置，从理论方面讲，需要以弯矩包络图为依据进行，当处在软基范围内时，桩体的主筋需要从软土层中穿过。对摩擦桩而言，配筋设置中应考虑下列几点：减少钢筋使用，避免钢筋笼长度因为桩长的变化而改变，防止底部断桩，并降低断桩后的处置难度，预防发生扁担桩。在桩体混凝土浇筑过程中，浇筑刚开始时容易发生卡管的问题，此时如果配筋合理，则当底部发生断桩时，可直接将钢筋笼拔出，然后在原位重新钻孔，能大幅降低断桩处理难度[6]。

通过对旧桥的综合调查可知，以桥台破坏最为常见，这和桥台结构的受力比较复杂有关，桥台破坏主要表现为各部位开裂，特别是不同构件之间连接位置的开裂。在过去，桥台破坏原因主要归结为超载，但和设计过程中忽略了一些重要因素也有直接关系，包括以下几个方面：

盖梁施工完成后和混凝土底模分开，防止自重变大。

台后沿顺桥向的水平方向土压给盖梁带来的水平弯矩可能导致盖梁跨中产生竖向裂缝；同理，侧水平方向的土压会导致耳墙根部产生弯裂。

桥台发生前移会使有缝桥变为无缝桥，上部结构给桥台背墙施加的推力可平衡台后土压，但这样会带来以下影响：背墙从根部开始产生剪裂、盖梁挑出处从支撑根部开始产生斜下弯裂缝、台身和盖梁之间与桩基和台身之间的连接部位产生弯裂。

桥台受不同作用可能产生很大扭矩，导致盖梁产生扭剪破坏，最后桥头处的路基发生下沉，导致梁端或背墙处因为受到较大活载而产生破坏[7]。

基于此，在实际的设计工作中应采用为桥台盖梁增加抗剪和抗扭箍筋或斜筋的方法来加强，同时还要在盖梁之前适当布置抗平弯钢筋；另外，在条件允许的情况下，还应增加耳墙和背墙的结构尺寸与配筋，增大台身的结构尺寸和配筋，增大桩基和盖梁或台身之间连接部位的根部配筋，并做好桥台前后软土地基的综合处理工作。

5 结语

综上所述，桥梁下部结构设计本身就是一项复杂的工作，尤其是当桥梁建设在有软基分布的地区时，设计人员应充分考虑工程的实际情况，做到具体问题具体分析，有效解决各方面问题，同时在设计中还应坚持扬长避短与推陈出新等各项原则，以此保证下部结构设计质量，为之后的上部结构设计与桥梁施工奠定良好基础，防止质量或安全问题发生。