軟土地基城市跨河橋涵案例設計分析

劉承啟

(中國建筑西南設計研究院有限公司山東分院 青島市 266000)

1 工程概況

某新建排水河道工程中，設計河道長度約1600m，河道寬度19m，河槽橫斷面采用矩形斷面。根據工程總體方案設計河道下穿某現狀市政路，因而該市政路需新建一座橋涵上跨設計河道。現狀道路寬度為3m人行道+18m車行道+3m人行道=24m寬，現狀道路標高為4.2m左右，橋位處洪水位標高為3.23m。

根據工程地質勘察報告，新設橋涵處場地存在淤泥質軟土層，該土層地基承載力特征值較低為60～70kPa，不適宜直接作為結構基礎的持力層，且現場淤泥質土層較厚。

2 橋涵方案布置

2.1 結構方案選擇

在方案研究階段，本工程對如下三種總體布置方案進行了對比分析：

(1)方案1：采用單跨20m先張法預制空心板橋，結構層厚度：15cm鋪裝層+95cm空心板厚度，該方案阻水面積小，下部結構施工的同時進行空心板的預制，整體施工速度快。但由于結構厚度較大，受現狀場地標高限制，該方案需抬高道路設計標高，對現狀道路影響較大。

(2)方案2：采用2×10m先張法預制空心板橋，結構層厚度：15cm鋪裝層+65cm空心板厚度，結構厚度較方案1有所優化。由于河道橫斷面為矩形河槽，方案1、方案2均需設置較高的橋臺以起到河岸擋墻作用，且橋梁基礎由于地基情況較差，需采用較長的樁基礎穿過淤泥質軟土層。

(3)方案3：采用三孔鋼筋混凝土現澆箱涵結構，由于箱涵具有良好的整體性、單孔跨徑減小，結構板厚最小。整體底板對地基承載力要求較低，因此基礎的開挖深度優于方案1和方案2，基礎采用復合地基形式以滿足承載力要求。同時整體箱涵方案不需設置橋梁支座及伸縮縫裝置，后期結構維護簡便。

綜合考慮本工程橋涵位于建成區，受設計洪水位及現狀道路標高的限制，最終工程采用方案3現澆鋼筋混凝土箱涵結構。

2.2 結構設計

橋涵斷面布置為三孔整體箱涵結構，凈寬度6+7+6=19m，凈高度3.37～3.55m，橫橋向通過箱涵凈高度的變化實現道路的橫坡設置，箱涵頂面設置防水層及路面面層，不再設置調平層。

箱涵沿道路中心線設置一道沉降縫，沉降縫位于道路黃線下，縫寬2cm。箱涵在河道的兩端分別設置有河底鋪砌和截水墻，以確保箱涵基底不受沖刷影響。河底鋪砌采用M10級水泥砂漿砌MU30片石，厚度40cm。圖1、圖2為橋涵縱橋向、橫橋向總體布置圖。

圖1 縱橋向總體布置(單位：cm)

圖2 橫橋向總體布置(單位：cm)

箱涵頂板、底板、側墻厚度50cm，中墻厚度40cm，箱涵每孔頂底板與側墻中墻倒角處設腋角尺寸為30cm×30cm。箱涵橫橋向兩端在人行道位置設置0.5m寬懸臂板，以優化外觀效果。兩中墻設置分水尖，箱涵沿道路方向在兩側設置牛腿及搭板，新舊瀝青路面進行搭接處理。

3 結構計算分析

3.1 模型建立

整體箱涵計算采用有限元程序Midas/Civil軟件[1]，箱涵結構均為單向板，建模取車行道下箱涵中心線方向1m寬框架進行計算，計算模型如圖3所示。

圖3 midas計算模型

箱涵側壁及底板均施加彈簧支撐，計算考慮的荷載和作用有：結構自重、橋面鋪裝、土層及地下水的側向壓力；汽車荷載按城-A級、系統升降溫、涵洞內的流水壓力等；同時由于箱涵頂面沒有覆土直接鋪設路面面層結構，應按照規范要求考慮頂板溫度梯度的作用對結構受力的影響。

3.2 汽車荷載加載

汽車荷載根據規范要求：橋梁結構的整體計算采用車道荷載，局部加載、涵洞等計算采用車輛荷載，因此建議本工程分別按照車道荷載和車輛荷載兩種加載模式計算進行對比。

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[2]4.2節，計算箱梁頂板在車輛荷載作用下的縱橋向荷載分布寬度，根據荷載分布寬度換算出車輛荷載的單位寬度作用力，按照影響線進行最不利加載。

提取車道荷載和車輛荷載加載模式下的彎矩包絡圖如圖4～5所示，頂板中支點最大負彎矩：車道荷載下為-79.6kN·m，車輛荷載下為-86.5kN·m，兩者相差8.7%。頂板中跨跨中最大正彎矩：車道荷載下為75.3 kN·m，車輛荷載下為75.4 kN·m，兩者基本一致，底板對應彎矩的差異較頂板更大。按規范要求車輛荷載加載分項系數為1.8，大于車道荷載的1.4，因此本工程車輛荷載加載起設計控制作用。

圖4 車道荷載加載模式下彎矩包絡圖(單位：kN·m)

圖5 車輛荷載加載模式下彎矩包絡圖(單位：kN·m)

3.3 計算結果提取

箱涵頂板、底板控制截面的各項主要荷載內力值見表1，基本組合下的結構的頂底板彎矩包絡圖如圖6所示，箱涵頂板最大負彎矩-293kN·m，最大正彎矩247.0kN·m；底板最大負彎矩-335.0kN·m，最大正彎矩166.9kN·m。對于箱梁頂底板，各項荷載、作用中車輛荷載引起內力值最大，溫度梯度的作用對頂板產生的彎矩影響同樣不可忽略。

圖6 基本組合下箱涵頂底板彎矩包絡圖(單位：kN·m)

表1 頂底板控制性截面內力值表

箱涵標準組合下基底反力通過提取模型中箱涵底板彈簧的支反力和對應分布寬度，計算得到箱涵基底最大應力pmax=支反力/分布寬度=44.5/0.375=118.7kPa，因此設計要求地基承載力達到120kPa。

由于橋涵采用閉合框架結構，結構層頂面直接鋪設路面面層，需要對結構的整體抗浮穩定性進行驗算。箱涵自身重力P1=26×27.8=721.9kN，鋪裝重力P2=0.1×24×20.8=49.9kN，結構所受浮力P3=10×3.49×20.8=725.9kN。結構抗浮系數K=(721.9+49.9)/725.9=1.06>1.05，因此抗浮計算滿足要求。

4 復合地基設計

4.1 復合地基方案

由于箱涵基底位于淤泥質軟土層，地基可采用換填處理或復合地基方案[3]。由于場地淤泥質土層較厚，換填方案的挖除換填工程量較大，經濟性及可靠性欠佳，因此考慮采用復合地基方案。復合地基采用混凝土勁性體地基處理方法，相比于水泥攪拌樁復合地基方案，勁性體方案構件采用預制施工，勁性體管樁質量可靠、現場施工速度快，且施工過程中對環境影響較小。

設計勁性體管樁外徑400mm，壁厚60mm，豎向抗壓承載力設計值1320kN。樁長9m，樁距2.5m，等邊三角形布樁，管樁嵌入強風化花崗巖層0.5m。樁尖采用十字形鋼樁尖，樁身混凝土抗滲等級要求不小于P10。

樁頂設置尺寸為1.2m×1.2m×0.3m的C40鋼筋混凝土樁帽，褥墊層采用10cm級配碎石+雙向土工格柵+30cm級配碎石，褥墊層碎石層要求級配良好。

4.2 復合地基承載力驗算

根據《建筑地基處理技術規范》，增強體單樁豎向承載力特征值計算分析如下：

按地勘報告樁側阻力特征值qsi及對應土層厚度li值：淤泥質土側阻力特征值10kPa考慮5m厚，粉質粘土側阻力特征值30kPa考慮1.5m厚，中粗砂側阻力標準值42.5kPa考慮2.5m厚，強風化樁端阻力特征值qp為3400kPa，樁端端阻力發揮系數α取0.75。

單樁承載力Ra=∑up×qsi×li+α×qp×Ap=573kN<樁自身承載力特征值，取Ra=573kN。

式中：up為樁的周長；Ap為樁截面積。

式中：d為樁基直徑；s為樁基布置間距。

單樁承載力發揮系數λ取1.0，樁間土承載力發揮系數β取0.4，處理后樁間土承載力特征值fsk取60kPa。

復合地基的承載力特征值Fspk=λ×m×Ra/Ap+β×(1-m)×fsk=129.4kPa>120kPa，滿足箱涵地基承載力要求。

4.3 復合地基現場施工

管樁可采用錘擊法打入或靜壓法施工，施工機械及沉樁工藝按照相關管樁技術要求及標準實施，沉樁過程中樁身垂直度偏差不得超過0.5%；管樁施工前要先進行試樁，并進行單樁承載力試驗，設計單樁承載力不小于573kN，滿足要求后方可進行管樁施工，并進行成樁質量檢測。

現場勁性體管樁采用了錘擊法打入施工。勁性體管樁采用預制成品，現場錘擊打入，整體施工速度較快，但施工過程中錘擊產生的地面振動較大。箱涵與現狀一處污水管道之間的位置較近，施工時采用了挖隔振溝的方式減小錘擊振動對于管線的影響，確保施工過程中管線的安全。

5 結論

(1)本工程新建跨河橋涵受制于現狀道路標高和設計洪水位的限制，采用了多孔小跨徑整體鋼筋混凝土箱涵結構，結構整體性好、板厚度較薄，同時結構對基底承載力要求較低，方案具備一定優勢和參考價值。

(2)箱涵采用有限元軟件進行整體計算分析，并分別按照車道荷載和車輛荷載加載，本工程計算中車輛荷載的加載起控制作用。

(3)對于較厚的淤泥質軟土地基，采用勁性體管樁的復合地基方案，方案總體施工簡便、開挖深度小，滿足了箱涵承載力要求。但應注意施工期間對于既有構筑物、管線的擾動及保護問題。