軟土地基橋臺(tái)變位的病害機(jī)理與預(yù)防措施

張召磊，項(xiàng)志明

（安徽合一預(yù)應(yīng)力工程有限公司，安徽 蕪湖 241000）

橋臺(tái)作為連接路基部分和橋梁主體的重要組成部分，在設(shè)計(jì)和施工的過程中存在諸多問題，由于路基的填筑材料和橋梁混凝土之間的差異，使得兩者容易發(fā)生不同步的變形、位移，導(dǎo)致橋臺(tái)出現(xiàn)裂縫，同時(shí)還會(huì)造成承臺(tái)不均勻沉降、橋頭跳車等，特別是在軟土地基地區(qū)，橋臺(tái)病害問題尤為突出。這些病害會(huì)造成車輛在行駛過程中的舒適性驟降，且容易引發(fā)交通事故。因此，針對軟土地基橋臺(tái)，展開系統(tǒng)的研究并提出相關(guān)的治理措施至關(guān)重要[1-2]。

1 軟土地基橋臺(tái)變形機(jī)理

1.1 軟土地基橋臺(tái)樁基受力分析

（1）軟土地基的側(cè)向位移。根據(jù)理論以及實(shí)踐證明，在軟土地基中，橋頭路基的填筑往往會(huì)引起下覆軟土發(fā)生側(cè)向的變形，軟土作為一種特殊土，其發(fā)生的側(cè)向水平位移會(huì)更大。但是如果在地基中設(shè)置樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)的模量遠(yuǎn)大于土體，可以看作一種剛性構(gòu)件，會(huì)對周圍的土體的位移起到一定的抑制作用。在軟土地區(qū)，地基產(chǎn)生側(cè)向位移，主要的原因有兩方面，一是自身因素，二是荷載的作用，即施工過程中填土的作用以及車輛行駛過程中的行車荷載[3]。

（2）軟土地基中橋臺(tái)樁基的附加水平力。樁基可以對軟土地基的側(cè)向水平位移起到一定的阻礙作用，在位移發(fā)生時(shí)，樁基會(huì)受到地基土對其造成的側(cè)向水平力，即附加水平力。位移越大，附加水平力也就越大。除此之外，附加力的大小還會(huì)受到作用面積以及樁體本身材料的影響，樁基越粗，有效接觸面積增大，附加水平力也隨之變大。另外，樁基的剛度越大對土體的阻礙也就越有效。

1.2 軟土地基橋臺(tái)的位移模式及受力分析

橋臺(tái)除了需要承受來自上方的行車荷載，還需要考慮橋臺(tái)臺(tái)后填土的側(cè)向壓力、附加水平力以及由于地基固結(jié)沉降而產(chǎn)生的負(fù)摩阻力等。文章認(rèn)為橋臺(tái)的位移模式有兩類，其一是由T模式與RB模式組合形成的RBT位移模式；另一類則是由T模式與RT模式相互作用形成的RTT模式[4]。其中，T模式的位移是水平移動(dòng)的，另外兩種位移模式則是轉(zhuǎn)動(dòng)的，差異主要體現(xiàn)在作用點(diǎn)的不同上，RT模式是以橋臺(tái)的頂為中心，RB模式是指以橋臺(tái)踵為中心。RBT與RTT位移模式的示意圖如圖1所示。

圖1 橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的RBT與RTT模式

當(dāng)土層分布均勻時(shí)，土體的側(cè)向力與側(cè)位移在深度方向呈線性分布的狀態(tài)，此時(shí)是RBT模式；反之，則是RTT模式。應(yīng)力傳遞過程與效果：橋臺(tái)臺(tái)后的填土荷載導(dǎo)致軟土地基出現(xiàn)側(cè)向變形，進(jìn)而引發(fā)附加水平力并發(fā)生沉降產(chǎn)生負(fù)摩阻力。在力的作用下樁基出現(xiàn)撓曲變形和側(cè)向位移，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)橋臺(tái)出現(xiàn)不均勻沉降的現(xiàn)象。而不均勻的沉降反過來又會(huì)對側(cè)向土壓力、負(fù)摩阻力和附加水平力產(chǎn)生影響。如此循環(huán)作用，最終突破橋臺(tái)破壞的臨界狀態(tài)，導(dǎo)致病害的產(chǎn)生。

2 橋臺(tái)病害預(yù)防措施

2.1 設(shè)置橋頭搭板

在路橋交接處，橋臺(tái)與軟土路基之間的不均勻沉降導(dǎo)致兩者之間存在著一定的高差，引發(fā)橋頭跳車現(xiàn)象。根據(jù)相關(guān)的研究以及工程實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)，在路橋連接處設(shè)置橋頭搭板能夠有效解決該問題。使用橋頭搭板有助于協(xié)調(diào)橋臺(tái)與路基的變形，降低路橋之間的沉降差，進(jìn)而減輕不均勻沉降作用。

2.2 加強(qiáng)路基填料的選擇

改善橋臺(tái)臺(tái)后填料的質(zhì)量。臺(tái)后的填土對橋臺(tái)的側(cè)向力影響極大，臺(tái)后填土的優(yōu)劣直接決定了防治措施的優(yōu)劣。橋臺(tái)的許多病害都是由填土所引起的，在實(shí)際工程中應(yīng)采用模量大、易壓實(shí)的材料，或者透水性較為良好的粗粒土，這些材料能夠及時(shí)排除土體中的水，加速臺(tái)背填土的固結(jié)。

2.3 改進(jìn)排水設(shè)施

加強(qiáng)改善橋臺(tái)臺(tái)背后填土的排水系統(tǒng)，盡可能減少路面雨水從縫隙滲入地基中。可以設(shè)置盲溝或者泄水管，在管道的周圍充填透水性良好的材料，并且用土工布對盲溝的出水口處做必要的處理。除此之外，在每一個(gè)結(jié)構(gòu)層的層底都設(shè)置一個(gè)3%左右縱坡。

3 軟土地基橋臺(tái)土壓力作用機(jī)理數(shù)值模擬

為驗(yàn)證橋頭搭板對解決橋臺(tái)病害的效果，運(yùn)用FLAC3D對某路段的橋頭進(jìn)行數(shù)值模擬分析，橋臺(tái)等構(gòu)筑物的實(shí)際尺寸如圖2所示，各土層以及構(gòu)筑物的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖2 實(shí)體計(jì)算模型幾何尺寸

表1 各土層及橋臺(tái)的物理力學(xué)參數(shù)

其中表示ρ密度，K表示體積模量，G表示剪切模量，c表示粘聚力，φ表示內(nèi)摩擦角。

文章選用梁單元來模擬橋頭搭板，梁單元作為桿件單元具有各項(xiàng)同性且無屈服，這些與橋頭搭板的作用機(jī)理是完全符合的。此處只是考慮橋頭搭板對橋臺(tái)土壓力的作用，故而對施工完成后的模擬數(shù)據(jù)位移清零，之后再設(shè)置搭板。橋頭搭板設(shè)置前后橋臺(tái)和填土的位移圖如圖3所示。由圖3可以看出在不設(shè)置搭板的情況下，車輛等上部荷載會(huì)直接作用在填土上，而且側(cè)向位移相對比較大，最大位移為3.4mm，側(cè)移發(fā)生的位置相對較淺；沉降則主要是發(fā)生在橋路過渡連接的位置，且沉降較大，最大沉降達(dá)到了3.2cm。在設(shè)置橋頭搭板后，荷載的作用經(jīng)過橋頭搭板的傳遞，最大位移僅有0.8mm；此時(shí)的沉降主要發(fā)生在搭板的尾端，有效減少了不均勻沉降。由此看來，設(shè)置橋頭搭板能夠有效抑制位移的發(fā)生，減緩橋頭跳車現(xiàn)象。

圖3 數(shù)值模擬分析圖

4 結(jié)束語

文章從力學(xué)角度出發(fā)，對軟土地基橋臺(tái)樁基受力方式以及位移模式進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，揭示了橋臺(tái)病害產(chǎn)生的原因，并提出在路橋連接處設(shè)置橋頭搭板、改善臺(tái)后填料、改進(jìn)排水設(shè)施等多種防治措施，同時(shí)運(yùn)用FLAC3D對設(shè)置橋頭搭板的措施進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證其防治的有效性。