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    軟土地基拱橋橋臺及阻滑板抗推計(jì)算淺析

    2014-02-19 05:40:16田書貴
    中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2014年23期
    關(guān)鍵詞:軟土地基拱橋

    田書貴

    摘 要:本文主要探討了軟土地基地區(qū)拱橋橋臺及阻滑板的組合抗推計(jì)算,通過工程案例分析計(jì)算靜力平衡法和變形協(xié)調(diào)法的區(qū)別,為軟土地基拱橋基礎(chǔ)計(jì)算提供參考。

    關(guān)鍵詞:軟土地基;拱橋;阻滑板;抗推

    中圖分類號:U445 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

    1 引言

    拱橋是我國公路工程中使用較廣的一種橋型。拱在豎向荷載作用下,支承處將同時(shí)受到豎向和水平反力作用。但是在軟土地基的拱橋,較大的水平推力將使得拱圈發(fā)生較大變形,使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,結(jié)構(gòu)上往往采用橋臺加阻滑板的方式來抵抗水平推力。本文將結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范及工程案例,探討橋臺樁基礎(chǔ)及阻滑板的組合抗推計(jì)算方法,為軟土地基拱橋基礎(chǔ)計(jì)算提供參考。

    2 靜力平衡法及變形協(xié)調(diào)法分析

    根據(jù)規(guī)范相關(guān)說明,拱橋組合式橋臺計(jì)算一般采用靜力平衡法,也可采用變形協(xié)調(diào)法。下面將分別對這兩種方法進(jìn)行探討分析。

    2.1 靜力平衡法

    按照靜力平衡法計(jì)算時(shí),橋臺樁基礎(chǔ)主要承受拱的豎直力;臺后主動(dòng)土壓力及阻滑板基底摩阻力平衡拱的水平推力。根據(jù)相關(guān)資料,群樁基礎(chǔ)也可承受10%~25%的水平力,無斜樁時(shí)取低值,但須對由此產(chǎn)生的水平位移和轉(zhuǎn)角加以控制。

    2.1.1 臺后主動(dòng)土壓力

    臺后主動(dòng)土壓力按庫倫土壓力計(jì)算,根據(jù)橋梁規(guī)范,土層特性無變化且不考慮汽車荷載時(shí):

    (1)

    其中E為主動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值,γ為土的重力密度,B為計(jì)算寬度,H為土層高度,μ值計(jì)算方法詳見規(guī)范。

    2.1.2 阻滑板基底摩阻力

    F=μ(G阻+G土) (2)

    其中F為基底摩阻力,G阻為阻滑板自重,G土為阻滑板頂面填土自重,μ為基底摩擦系數(shù)。

    通過計(jì)算土壓力和摩阻力與上部結(jié)構(gòu)作用在基礎(chǔ)的水平力進(jìn)行比較,驗(yàn)算結(jié)構(gòu)安全性。

    2.2 變形協(xié)調(diào)法

    按變形協(xié)調(diào)法計(jì)算時(shí),為便于分析計(jì)算,有如下幾個(gè)基本假定:

    (1)假定橋臺及阻滑板均為剛體。

    (2)阻滑板基底土摩阻力均勻分布;

    (3)將土視為具有與深度成正比的地基系數(shù)的彈性變形介質(zhì);

    2.2.1 地基剪切系數(shù)

    按照假定,土的地基系數(shù)隨深度成正比,相應(yīng)于深度z處的側(cè)向地基系數(shù)Cz=mz;相應(yīng)于深度h處的豎向地基系數(shù)C0=m0h;相應(yīng)于深度h′處的地基剪切系數(shù)Cx,在無實(shí)測資料時(shí)按下式計(jì)算:

    (3)

    其中h′為換算高度,即阻滑板基底平均壓力換算成相當(dāng)于基底處土的土柱高度,且Cx應(yīng)滿足C0≥10m0;m和m0為地基土的比例系數(shù)。

    2.2.2 阻滑板水平抗推剛度

    設(shè)定阻滑板長度為L、寬度為B,高度為H,一水平外力F作用于一端,阻滑板整體位移為S,阻滑板自重為G阻,阻滑板頂面土層自重為G土,受力如圖1所示。

    基底土剪應(yīng)力為:τ=S·Cx

    基底土摩阻力為: F土=τ·A=SCxLB

    不考慮阻滑板端部土側(cè)壓力,由∑F=0可得:

    F=F土=SCxLB

    阻滑板水平抗推剛度為:

    (4)

    根據(jù)阻滑板的抗推剛度K阻以及通過m法計(jì)算出來的群樁基礎(chǔ)的抗推剛度K樁,計(jì)算出樁基礎(chǔ)和阻滑板的組合抗推剛度K總,進(jìn)一步計(jì)算出各自承受的水平力大小,即可對樁基礎(chǔ)和阻滑板地基分別進(jìn)行驗(yàn)算。當(dāng)?shù)鼗撂貏e軟弱時(shí),應(yīng)驗(yàn)算地基土的剪應(yīng)力是否滿足要求,按下式計(jì)算:

    (5)

    式中F為阻滑板承受的水平力,A為阻滑板的基底面積,P為阻滑板底面以上的豎向荷載,φ、c分別為地基土的內(nèi)摩擦角和粘聚力。

    3 工程案例分析

    某公路上跨橋,上部結(jié)構(gòu)為上承式鋼筋混凝土箱形拱,跨徑60m,矢高12m,橋面全寬22.5m。下部結(jié)構(gòu)為Φ1.8m鉆孔灌注樁基礎(chǔ),共3排,每排橫橋向共4根,樁長50m。臺后阻滑板長16m,寬24m,高1.5m,阻滑板頂面填土高度13.4m,為灰土回填,阻滑板底為粉土,內(nèi)摩擦角為21°,粘聚力為17.5kPa,摩擦系數(shù)為0.3,比例系數(shù)為5000kN/m4。經(jīng)過上部結(jié)構(gòu)計(jì)算作用在承臺的水平推力合計(jì)為39300kN。橋臺及阻滑板構(gòu)造如圖2所示。

    3.1 按靜力平衡法計(jì)算

    阻滑板自重為:

    G阻=16×1.5×24×25=14400kN

    阻滑板頂面填土自重為:

    G土=16×13.4×24×18=926200kN

    基底摩阻力為:

    F=0.3×(14400+92620)=32106kN

    根據(jù)規(guī)范計(jì)算出臺后主動(dòng)土壓力系數(shù)μ=0.301,主動(dòng)土壓力為:

    土壓力水平向分力為:

    Ex=E·cos(α+φ/2)=5290kN

    其中α為墻背豎直角,取0°。作用在承臺的總水平推力39300kN,根據(jù)相關(guān)資料,群樁基礎(chǔ)承受水平力比例取10%,計(jì)算為3930kN,經(jīng)驗(yàn)算樁基礎(chǔ)強(qiáng)度滿足要求;減去土壓力后阻滑板承受水平力為29890kN,小于基底摩阻力32106kN,滿足要求。

    3.2 按變形協(xié)調(diào)法計(jì)算

    3.2.1 群樁基礎(chǔ)水平抗推剛度計(jì)算

    給群樁基礎(chǔ)施加水平力F=10000kN,豎向力為0,彎矩為0,通過m法計(jì)算出承臺水平位移δ=0.0053m,則群樁基礎(chǔ)水平抗推剛度為:

    3.2.2 阻滑板水平抗推剛度計(jì)算

    根據(jù)(3)、(4)式計(jì)算:

    K阻=CxLB=38500×16×24=1.48×107

    3.2.3 樁基礎(chǔ)和阻滑板的組合抗推計(jì)算

    樁基礎(chǔ)和阻滑板的組合抗推剛度:

    K總= K樁+K阻=1.67×107

    可以得出群樁基礎(chǔ)水平剛度占總剛度的11.3%,阻滑板水平剛度占88.7%。阻滑板承受水平力為(39300-5480)×0.887=29998kN,群樁基礎(chǔ)承受水平力為(39300-5480)×0.113=3822kN。同時(shí)可以得出基礎(chǔ)最大水平位移S=(39300-5480)/1.67×107=0.002m。經(jīng)過驗(yàn)算,群樁基礎(chǔ)滿足規(guī)范要求。

    對于軟土地基,需驗(yàn)算地基土的剪應(yīng)力,按(5)式計(jì)算,水平力引起阻滑板地基土的剪應(yīng)力為:

    地基土容許剪應(yīng)力為:

    可以看出地基土的剪應(yīng)力也滿足要求。

    4 分析結(jié)論

    通過對比分析計(jì)算,可以得出如下結(jié)論:

    (1)靜力平衡法計(jì)算簡便但不能表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)受力情況;變形協(xié)調(diào)法通過計(jì)算各部分的剛度可以根據(jù)不同的受力狀況得出各結(jié)構(gòu)受力,給結(jié)構(gòu)分析提供較精確的數(shù)據(jù)。

    (2)本文案例中通過變形協(xié)調(diào)法計(jì)算得出該橋群樁承受水平力比例11.3%,與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的無斜樁群樁承受水平力的比例10% 較接近。即利用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的結(jié)果也具有一定的參考意義。

    (3)本文阻滑板水平抗推剛度計(jì)算中未能考慮阻滑板的壓縮性,若考慮壓縮性則阻滑板剛度將減小,計(jì)算將更精確。

    參考文獻(xiàn)

    [1] JTG D60-2004,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

    [2] JTG D61-2005,公路公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

    [3] JTG D63-2007,公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

    [4] JTG 022-85,公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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