超高填土肋板式橋臺臺前土壓力分析

李中華， 諶 海

（1.中機中聯工程有限公司，重慶 400039；2.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410200）

隨著我國交通行業的快速發展，橋梁建設隨之增多，有時因地形或周邊路網等現場條件限制，需設置超高橋臺。肋板式橋臺除具有結構縱向剛度大、材料用量較少[1]的優點外，橋臺自身承受土壓力也相對較小，被廣泛應用于各級道路跨線橋。橋臺作為橋梁的重要組成部分，不僅承受上部結構傳遞來的支反力等作用；還需承擔因橋臺前后填土不對稱，實際施工中臺前填土壓實質量難以保證等造成的不平衡水平土壓力。在中低填土橋臺設計中因土壓力不大，往往不考慮臺前土壓力的有利作用；而在高超填土橋臺設計中土壓力往往是控制設計的關鍵性因素，不平衡土壓力使橋臺及樁基產生水平位移，若水平位移過大，將危及橋梁結構安全，此時如何考慮臺前土壓力的有利作用對結果有較大影響。

本文以某臺后填土達18.5 m的肋板式橋臺為背景，采用Midas有限元分析軟件建立橋臺模型，對不同比例臺前土壓力模型的背墻位移、樁基位移、樁頂裂縫等結果進行分析，并與該橋臺施工中觀測位移進行對比，對高橋臺臺前土壓力的計算提出可參考的建議。

1 工程概況

某橋梁受地形及周邊路網等條件限制，橋面距現狀地面高度達18.5 m。采用肋板式橋臺，為改善肋板受力，承臺底提高至現狀地面以上2.5 m，橋臺采用砂礫石回填，臺前采用1∶1.5 兩級放坡結合重力式擋土墻處理。見圖1。

圖1 臺背路基處理

橋臺單幅寬22.99 m，橫向采用3 道肋板，肋板高8.8 m、寬1.4 m，單幅橫橋向設3 排?160 mm 樁基，間距7.825 m；順橋向設2 排?160 mm 樁基，間距為4.0 m。樁基為嵌巖樁，嵌入中風化花崗巖。見圖2。

圖2 橋臺

2 臺前土壓力計算

2.1 水平土壓力計算[2]

1）填土引起的荷載集度

式中：γ為土的重度，kN/m3；B為橋臺的計算寬度，m；H為計算土層高度，m；φ為土的內摩擦角，（°）；β為填土表面與水平面的夾角，（°）；α為橋臺背墻與豎直面的夾角，（°）；δ為臺背與填土間的內摩擦角，可取δ=φ/2，（°）。

2）臺后車輛荷載引起的荷載集度

式中：h 為汽車荷載的等代均布土層厚度，m；∑G為布置在B×l0面積內的車輛總重力，kN；l0為臺后填土的破壞棱體長度，m。

2.2 模型建立

采用有限元分析軟件Midas Civil，梁單元模擬橋臺各構件，共有136個單元，148個節點。見圖3。

圖3 計算模型

橋臺樁基的樁土效應根據“m 值法”[3]采用節點彈性支撐進行模擬，考慮到填土壓實度影響，僅對現狀地面以下樁基考慮樁土效應，臺后土壓力計算至現狀地面線處。

樁身周邊土彈簧K=hibmzi

式中：hi為各土層厚度，m；b 為樁的計算寬度，m；m 為地基土水平向抗力系數的比例系數；zi為各層土中點到地面距離，m。

分析發現臺背土壓力隨臺后填土高度增加呈二次方遞增關系[4]，因此超高填土時土壓力非常大；此時如完全不考慮臺前土壓力的有利作用，將對計算結果非常不利。考慮到臺前土實際施工質量及壓實困難等問題，若完全考慮臺前土的有利作用則對設計偏不安全[5]；因此如何考慮臺前土的作用是一個值得分析和研究的問題，本文對臺前土壓力作用分5 種工況分別分析計算。

1）工況1。臺后土壓力考慮至現狀地面，不考慮填土對承臺及樁基的約束，不考慮臺前土壓力。

2）工況2。考慮25%的臺前土壓力，其余同上。

3）工況3。考慮50%的臺前土壓力，其余同上。

4）工況4。考慮75%臺前土壓力，其余同上。

5）工況5。考慮100%臺前土壓力，其余同上。

計算結果見表1。

表1 橋臺土壓力計算kN/m

3 計算結果分析

以樁頂位移(限值10 mm)、樁基裂縫寬(限值0.2 mm)及樁頂力（不出現負反力）作為評定橋臺結構是否滿足設計要求的主要指標并且把背墻位移作為參考指標，計算結果見圖4。

圖4 橋臺構件受力結果

計算結果表明：是否考慮臺前土壓力的作用對計算結果影響很大，不同比例的臺前土壓力對計算結果的影響呈線性分布；當考慮50%的臺前土壓力時，樁頂位移（9.8 mm）及樁基裂縫寬度（0.16 mm）均可滿足設計要求，背墻頂位移（19.3 mm）也相對適中。根據計算，樁底力在5 種工況作用下，均未出現負反力，滿足設計要求；因此本文不做詳細論述。

超高填土橋臺計算中因臺后土壓力特別大，若完全不考慮臺前土壓力的有利作用雖然計算結果偏于安全，但過于保守的設計會造成資源浪費；結合以往設計、施工經驗本文認為在橋臺設計中考慮50%的臺前土壓力是適宜的，也是能保證結構安全的。

在后續施工中，通過對橋臺背墻頂水平位移的觀測發現，背墻實際發生水平位移約為16 mm，處于考慮50%～75%臺前土壓力之間，進一步驗證了在超高填土橋臺設計中考慮50%的臺前土壓力是較為適宜的。

4 結論與建議

1）超高填土橋臺設計中是否考慮臺前土壓力的有利作用對計算結果有較大影響，經過對比分析建議考慮50%的臺前土壓力；但具體項目中受限于現場情況及施工質量，臺前土壓力的考慮不宜一概而論，應根據項目實際情況而定，本文僅提供一定參考。

2）橋臺土壓力計算中若承臺或樁基高出原始地面線，建議土壓力計算至原始地面線且不考慮原地面以上填土部分的樁-土作用。

3）計算是基于臺前溜坡穩定的前提，若不能保證臺前溜坡穩定則不應考慮臺前填土的有利作用；因此施工中應加強臺前溜坡的壓實穩定。

4）加強橋臺處防排水措施。臺后填土的防排水能力不足，會改變臺后土體的內摩擦角、黏聚力等，增大其土壓力，特別是高填土橋臺，計算參數的變化會導致下部荷載顯著增加。