銅陵市沿新大道下穿橋橋臺設計簡析

楊家發

【摘要】銅陵市沿新大道下穿橋橋位處地質結構復雜，既有軟弱下臥層，又有發育程度強烈的溶洞。橋臺設計時，通過比選不同型式的橋臺，優化橋臺結構型式，最終采用空心型式的淺基礎橋臺，成功地解決了在這樣復雜地質情況下的橋臺設計。

【關鍵詞】橋臺；軟弱下臥層；溶洞

工程概況：銅陵市沿新大道是銅陵市主城區東部的一條南北向城市主干道，具有承載過境交通的功能。在沿新大道20+00～25+00的東側有新建的銅陵市新火車站，站前有三條規劃道路與沿新大道相交。考慮到火車站站前道路車輛和行人較多，與過境車輛發生沖突，影響交通通行，因此沿新大道下穿站前的三條規劃道路，過境車輛從下穿道路通過。此段沿新大道道路總寬55米，其中下穿道路凈寬為16米，為雙向四車道。

為了節省工程造價，下穿站前的三條規劃道路沒有采用箱涵結構，而是采用橋梁型式，采用橋梁型式也便于下穿道路埋設雨水管道。為降低橋梁結構層高度，減小下穿道路的坡度和長度，橋梁采用簡支空心板橋。橋下凈高不小于4.5米。現以三座橋中的二號橋為例，說明其橋臺的設計。二號橋橋面標高在18.8左右，橋下路面標高在11.8左右。橋梁設計荷載為城—A級。

工程地質：二號橋橋位處場地地層自上而下依次為：

（1） 填土：褐黃及灰色，密實，濕～飽和，由混凝土、粘性土及碎石組成，局部底部含腐爛物及有機質。層厚2.30～2.70米，層底標高15.96～16.37米。

（2） 可塑粉質粘土：灰、褐黃及灰黃色，可塑，濕，含氧化鐵斑點和灰色高嶺土質細條紋，無搖震反應，刀切面稍光滑、稍有光澤，干強度中等，韌性中等。層厚1.10～2.10米，層底標高14.26～14.86米。

（3） 硬塑粉質粘土：褐黃、灰黃及黃灰色，硬塑，稍濕，含鐵錳結核和灰色高嶺土質細條紋，無搖震反應，刀切面稍光滑、稍有光澤，干強度中等，韌性中等。層厚6.30～7.20米，層底標高7.61～7.93米。承載力基本容許值[fa0]=240 kPa，重度r=19.9KN/m3 。

（4） 殘積硬塑粘土：系灰巖風化殘積層，棕紅及紅棕色，硬塑，稍濕，含灰白色高嶺土條痕或斑紋及黑色鐵錳物質，夾少量泥頁巖風化物及灰巖碎塊，無搖震反應，刀切面光滑，干強度高，韌性高。層厚0.70～0.80米，層底標高6.90～7.10米。承載力基本容許值[fa0]=220 kPa，重度r=18.0KN/m3 。

（5） 殘積可-軟塑粘土：系灰巖風化殘積層，棕紅及紅棕色，可-軟塑，濕-飽和。該層在場地范圍內普遍分布，層厚1.90～2.40米，層底標高4.50～5.20米。承載力基本容許值[fa0]=110 kPa，液性指數IL=0.74。

橋臺設計：下面從橋臺型式的選擇入手簡述橋臺的設計過程。

對于下穿橋橋臺，樁基礎是常用的一種橋臺型式，它既是成橋的橋臺，也是施工過程中的支護擋土結構。采用樁基礎橋臺，不僅可以避免大開挖，減少開挖土方量，同時它還能保證基坑周邊的建筑物及地下管線的安全和正常使用，因此在建筑物密集的城市，下穿立交橋梁的橋臺基本上都采用排樁基礎或是咬合樁基礎。具體到本工程，下穿道路路面標高在11.8左右，而微風化灰巖頂面標高在5.00左右，如采用樁基礎，無論作為支護還是作為橋臺，都應嵌入到微風化灰巖巖層中一定深度，且樁端底下5m范圍內應無巖洞分布⑴，但該巖層中溶洞發育程度強烈，埋深也不符合要求，因此本橋不宜采用樁基礎，宜采用淺基礎。

橋臺收到如下力的作用：自重、土的豎向力和側壓力、上部結構的作用力以及橋頭搭板的作用力。其荷載不利組合為：結構自重+土重+土側壓力+汽車荷載（包括沖擊力）+汽車制動力+汽車荷載引起的土側壓力。經過試算，橋臺基底寬度在4～6米時，基底最大應力約為280 kPa～270 kPa，再增加橋臺底板寬度，對減小基底應力不明顯，同時也不經濟。根據地質報告，硬塑粉質粘土承載力基本容許值[fa0]=240 kPa，雖然橋臺基底在天然地面以下8米多，但距下穿道路頂面僅1.78米，由于下穿道路寬16米，橋臺后背的土體不能對橋臺前趾處土體的隆起破壞起到限制作用，基礎埋深只能從下穿道路路面算起⑵，因此，基底應力不予深度修正。顯然橋臺基底壓應力超過該層地基容許壓應力，此種橋臺不能滿足要求。

從扶壁式橋臺的受力看，要減小橋臺基底應力，可以減小臺后填土的重力，也可以將空心板的支承中心線移到橋臺底板形心的后側，以平衡臺后土壓力對橋臺基底重心軸的彎矩，為此將上述的扶壁式橋臺改為空心型式的橋臺，其構造示意圖如下圖所示（單位：標高以米計，尺寸以厘米計）。

經計算，每米寬橋臺在最不利作用短期效應組合下，豎向力合力N=538KN，對基底重心軸的彎矩M=63KN·m，基底最大壓應力為

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

基底壓應力滿足要求。

下面驗算基底合力偏心距。

e0=M/N=0.12m

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

核心半徑ρ= e0/（1- Pmin*A/N）=0.67m

偏心距容許值[e0]《ρ

顯然e0<[e0]，作用于橋臺基底的合力偏心距滿足要求。

橋臺的抗傾覆穩定性系數為

K0=s/e0=2.01/0.12=16.75，橋臺的抗傾覆穩定滿足要求。

對于橋臺的抗滑穩定性，兩橋臺間設置了支撐梁，具體計算此處不再贅述。

下面驗算軟弱下臥層頂的壓應力。

殘積可-軟塑粘土層頂的壓應力為

Pz=γ1*（h+z）+α*（p-γ2*h）

h為基底埋深，h=1.78m

z為基底到殘積可-軟塑粘土層頂的距離，z=9.838-7.1=2.74m

γ1為深度h+z范圍內的土換算重度，經計算γ1=19.69 KN/m3

γ2為深度h范圍內的土重度。γ2=19.90KN/m3

α為土中附加應力系數，橋臺兩沉降縫間距為20米，即l=20米，l/b=4.98，z/b=0.14，查《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG D63-2007）附錄M第M.0.1條并直線內插得α=0.98

p為橋臺基底壓應力，因z/b=0.14，Pmax和Pmin相差不大，故p取距最大壓應力點b/3點處壓應力值⑶，p=（ Pmin+2* Pmax）/3=142 kPa

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

殘積可-軟塑粘土層頂的容許壓應力為

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

Pz<[fa]，殘積可-軟塑粘土層頂的壓應力滿足要求。

由于溶洞位于微風化灰巖中，該巖體較完整，結構致密堅硬，基礎平面尺寸大于溶洞平面尺寸，基礎有足夠的支承長度，故不考慮溶洞對橋臺基礎的影響⑷。

結束語：從本橋的橋臺設計可以看出，在復雜地質條件下，橋臺型式的選擇尤為重要。橋臺型式的選擇應根據工程具體情況，靈活運用，不可拘泥于常規型式。

參考文獻：

[1]《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）第8.5.6條.

[2]《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG D63—2007）第3.3.4條條文說明.

[3]《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG D63—2007）第4.2.6條.

[4]《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）第6.6.5條.