小跨度連續(xù)剛構(gòu)在深層軟土地基中的應(yīng)用

黃北平

(中鐵第四勘察設(shè)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(jié)構(gòu)。因此,當(dāng)橋較矮且受水位控制而不能采用最經(jīng)濟合理的32 m(或24 m)簡支梁橋方案時,通常選用的都是結(jié)構(gòu)高度較小的小跨度框架方案?？蚣芊桨傅膬?yōu)點是整體性好，沉降較均勻,缺點是基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)的原因是擔(dān)心不均勻沉降。之所以引入小跨度板式連續(xù)剛構(gòu),主要是為了降低樁底持力層的附加應(yīng)力。當(dāng)樁長超過一定的長度后,采用小跨連續(xù)剛構(gòu),荷載通過樁身擴散到樁底持力層的附加應(yīng)力較小,對于樁底為比較均質(zhì)的土層來說(土層的厚度、力學(xué)性質(zhì)基本相近),沉降更接近于均勻沉降。而且,板式剛構(gòu)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(shè)計中考慮一定的不均勻沉降量,結(jié)構(gòu)的安全是可以確保的。下面以甬臺溫鐵路漁金特大橋設(shè)計為例，介紹小跨度連續(xù)剛構(gòu)的應(yīng)用情況。

2 工程案例

漁金特大橋位于寧波市鄞洲區(qū),主要穿越2個村莊,并上跨1條既有道路和2條規(guī)劃道路。雙線鐵路,線間距4.6 m,設(shè)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(zhì)粉質(zhì)黏土,流塑狀,σ0=70 kPa；再下14.5～18.3 m為軟塑粉質(zhì)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(shè)5 cm沉降縫(如圖1)。

圖1 框架結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)計基礎(chǔ)全部采用D50 cm打入樁,打入樁數(shù)量多,密度大。施工時,受到橋梁穿越村莊的強列阻擾,經(jīng)過多方多次磋商,均未達到滿意結(jié)果。主要是地方要求先期賠償數(shù)額具大,且后期賠償數(shù)額具有不確定性。為了消除基礎(chǔ)施工對房屋安全的影響,只得同意將打入樁基礎(chǔ)改為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。將122 352 m(2 480根)D50 cm預(yù)應(yīng)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(chǔ)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(jié)構(gòu)形式。

經(jīng)技術(shù)、經(jīng)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(huán)路、小河溝采用特殊孔徑剛構(gòu)外,一般地段均采用(10.45+2×10.8+10.45) m四孔一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)，代替2個雙孔10 m框架結(jié)構(gòu)(如圖2)。

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

圖2 剛構(gòu)結(jié)構(gòu)布置(單位：cm)

采用連續(xù)剛構(gòu)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(xù)剛構(gòu)設(shè)計

4.1 跨徑組合

(10.45+2×10.8+10.45) m

4.2 結(jié)構(gòu)尺寸

橋?qū)?60 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(shè)計荷載

荷載包括恒載(結(jié)構(gòu)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(chǔ)不均勻沉降(不均勻沉降按5 mm計)、制動力、風(fēng)力及溫度變化影響力等。

4.4 參數(shù)計算

邊跨墩上設(shè)活動支座,剛架橋墩上與梁體固結(jié),下與承臺固結(jié),梁體與墩樁基礎(chǔ)共同受力,建立全橋計算模型時,考慮樁基礎(chǔ)的組成形式及樁周土層的力學(xué)性質(zhì)對結(jié)構(gòu)受力影響。

對樁基礎(chǔ)的模擬是將群樁基礎(chǔ)按等剛度原則換算成一帶彈性支承的單柱結(jié)構(gòu)。

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(guī)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(shè)梁體預(yù)拱度。

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

5 結(jié)束語

框架橋改為連續(xù)剛構(gòu)橋后,減少了對當(dāng)?shù)鼐用竦纳罡蓴_,確保房屋和財產(chǎn)安全,減小了基坑開挖、棄土及基坑開挖支護工程量,上部結(jié)構(gòu)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(shè)計后,降低造價超過4 000萬,經(jīng)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(jīng)濟性來看,采用小跨度連續(xù)剛構(gòu)橋方案比框架橋方案具有明顯的優(yōu)越性。

[1]TB10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S]

[2]TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]

[3]TB10002[1].3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]

[4]鐵建設(shè)[2005]140號 新建時速200～250 km客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定[S]

[5]鐵建設(shè)[2005]157號 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計暫行規(guī)定[S]

[6]鐵建設(shè)[2003]205號 新建鐵路橋上無縫線路設(shè)計暫行規(guī)定[S]

[7]TB10113—96 粉體噴攪法加固軟弱土層技術(shù)規(guī)范[S]

[8]GB50111—2006 鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范[S]

[9]TB10501—98 鐵路工程環(huán)境保護設(shè)計規(guī)范[S]