小跨度連續剛構在深層軟土地基中的應用

黃北平

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

1 概述

深層軟土地段的橋梁(持力層為土層而非巖層時)一般不采用超靜定結構。因此,當橋較矮且受水位控制而不能采用最經濟合理的32 m(或24 m)簡支梁橋方案時,通常選用的都是結構高度較小的小跨度框架方案?？蚣芊桨傅膬烖c是整體性好，沉降較均勻,缺點是基礎工程量大，造價高。

深層軟土地段的橋梁一般不采用超靜定結構的原因是擔心不均勻沉降。之所以引入小跨度板式連續剛構,主要是為了降低樁底持力層的附加應力。當樁長超過一定的長度后,采用小跨連續剛構,荷載通過樁身擴散到樁底持力層的附加應力較小,對于樁底為比較均質的土層來說(土層的厚度、力學性質基本相近),沉降更接近于均勻沉降。而且,板式剛構梁的剛度相對較小,對不均勻沉降的敏感性小,只要將樁底置于較好的持力層,并在設計中考慮一定的不均勻沉降量,結構的安全是可以確保的。下面以甬臺溫鐵路漁金特大橋設計為例，介紹小跨度連續剛構的應用情況。

2 工程案例

漁金特大橋位于寧波市鄞洲區,主要穿越2個村莊,并上跨1條既有道路和2條規劃道路。雙線鐵路,線間距4.6 m,設計行車速度160 km/h,全橋位于曲線半徑為1 600 m的圓曲線上。

該橋軌底至地面高度3～6 m。表層10.4～14.5 m為淤泥,流塑狀,σ0=50 kPa；其下23.4～29.9 m為淤泥質粉質黏土,流塑狀,σ0=70 kPa；再下14.5～18.3 m為軟塑粉質黏土和中密粉砂互層,σ0=110～120 kPa；再下為中密礫砂,σ0=300 kPa。

全橋孔跨布置：(1-12 m)框架+18×(2-10 m)框架+(1-6.35 m)異型框架+2×(1-14 m)框架+(1-8.8 m)異型框架+5×(2-10 m)框架+(1-9.5 m)框架+(1-5.58 m)異型框架+4×(1-12 m)框架+(1-8.8 m)異型框架+6×(2-10 m)框架+(1-14 m)框架+(1-8.8 m)異型框架+4×(1-12 m)框架+(1-5.33 m)異型框架+4×(2-10 m)框架。除立交、排水及過渡段采用特殊孔徑或異形框架外,一般地段均采用雙孔10 m框架?？蚣苤g設5 cm沉降縫(如圖1)。

圖1 框架結構布置(單位：cm)

2-10 m框架,頂板厚65 cm,底板厚80 cm,邊墻厚70 cm,中墻厚60 cm,底板下設150 cm厚混凝土承臺,采用PHC500-B管樁,樁長48～52 m。

3 方案比較

漁金特大橋施工圖設計基礎全部采用D50 cm打入樁,打入樁數量多,密度大。施工時,受到橋梁穿越村莊的強列阻擾,經過多方多次磋商,均未達到滿意結果。主要是地方要求先期賠償數額具大,且后期賠償數額具有不確定性。為了消除基礎施工對房屋安全的影響,只得同意將打入樁基礎改為鉆孔灌注樁基礎。將122 352 m(2 480根)D50 cm預應混凝土管樁改為D100 cm鉆孔灌注樁需66 136 m(1 240根),增加投資約2 100多萬元。另外,3條道路下穿立交的深基坑鉆孔灌注樁支護以及框架基礎基坑開挖LarssenⅣ型鋼板樁支護,增加投資約1 500萬左右,對于橋長只有1 003.67 m(橋高小于6 m,最大跨度小于16 m)概算已達8 000萬的橋再增加3 000多萬,造價明顯過高。因此,有必要選擇更為合理的結構形式。

經技術、經濟比較后,除后殷路立交、過渡段采用特殊孔徑異形框架，以及東部三號路、南外環路、小河溝采用特殊孔徑剛構外,一般地段均采用(10.45+2×10.8+10.45) m四孔一聯連續剛構，代替2個雙孔10 m框架結構(如圖2)。

全橋孔跨布置：(5.5+14+5.5) m異形框架+9聯(10.45+2×10.8+10.45) m連續剛構+(5.34+5.35) m異形框架+1聯(10.45+2×10.8+10.45) m連續剛構框架+1聯(11.5+2×16+11.5) m連續剛構+(5.78+5.85) m異型框架+2聯(10.45+2×10.8+10.45) m連續剛構+(4.09+4.10) m異型框架+1聯(15.5+2×20+15.5) m連續剛構+(8.08+8.24) m異型框架+3聯(10.45+2×10.8+10.45) m連續剛構框架+(8.08+7.86) m異型框架+1聯(15.4+2×19+15.4) m連續剛構框架+(7.67+7.88) m異型框架+(7.86+7.59) m異型框架+1聯(11.4+2×16+11.4) m連續剛構框架+10.8 m異型框架。橋梁全長1 013.48 m。

圖2 剛構結構布置(單位：cm)

采用連續剛構橋后,避免了基坑開挖形成一條1 km多長、10余 m寬、3 m多深的長大拉溝。

4 小跨度連續剛構設計

4.1 跨徑組合

(10.45+2×10.8+10.45) m

4.2 結構尺寸

橋寬960 cm,梁高70 cm,墩身厚度80 cm,承臺長度1 035 cm、寬度485 cm、厚200 cm,每墩采用8根D100 cm鉆孔灌注樁,樁長52 m。

4.3 主要設計荷載

荷載包括恒載(結構自重、二期恒載等)、中活載、離心力、列車搖擺力、混凝土收縮及徐變、基礎不均勻沉降(不均勻沉降按5 mm計)、制動力、風力及溫度變化影響力等。

4.4 參數計算

邊跨墩上設活動支座,剛架橋墩上與梁體固結,下與承臺固結,梁體與墩樁基礎共同受力,建立全橋計算模型時,考慮樁基礎的組成形式及樁周土層的力學性質對結構受力影響。

對樁基礎的模擬是將群樁基礎按等剛度原則換算成一帶彈性支承的單柱結構。

4.5 荷載組合

主力：恒載+列車活載+混凝土收縮+徐變+不均勻沉降；

主力+附加力1：恒載+列車活載+混凝土收縮+徐變+不均勻沉降+制動力+均勻升降溫+非均勻升溫；

主力+附加力2：恒載+列車活載+混凝土收縮+徐變+不均勻沉降+制動力+非均勻降溫。

恒載邊跨跨中4.2 mm,中跨跨中2.8 mm；靜活載邊跨跨中3.0 mm,中跨跨中2.3 mm；靜活載撓跨比1/3 483,遠小于規范要求1/1 400；恒載及靜活載引起的跨中最大豎向撓度小于15 mm,可不設梁體預拱度。

主力工況設計最大單樁樁頂軸向力1 592 kN,設計單樁容許軸向承載力為1 918 kN。

5 結束語

框架橋改為連續剛構橋后,減少了對當地居民的生活干擾,確保房屋和財產安全,減小了基坑開挖、棄土及基坑開挖支護工程量,上部結構C40鋼筋混凝土由20 599 m3降為13 919 m3(減少6 680 m3),承臺C30混凝土由14 309 m3降為7 818 m3(減少6 491 m3),D100 cm鉆孔灌注樁由66 136 m降為32 234 m(減少33 902 m),外運棄土由56 529 m3降為26 833 m3(減少29 696 m3)。修改設計后,降低造價超過4 000萬,經濟效益明顯。

通過對比可知,對于深層軟土地段的橋梁,無論從工程的合理性和經濟性來看,采用小跨度連續剛構橋方案比框架橋方案具有明顯的優越性。

[1]TB10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范[S]

[2]TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S]

[3]TB10002[1].3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S]

[4]鐵建設[2005]140號 新建時速200～250 km客運專線鐵路設計暫行規定[S]

[5]鐵建設[2005]157號 鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定[S]

[6]鐵建設[2003]205號 新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規定[S]

[7]TB10113—96 粉體噴攪法加固軟弱土層技術規范[S]

[8]GB50111—2006 鐵路工程抗震設計規范[S]

[9]TB10501—98 鐵路工程環境保護設計規范[S]