小跨度连续刚构在深层软土地基中的应用

黄北平

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北武汉 430063)

1 概述

深层软土地段的桥梁(持力层为土层而非岩层时)一般不采用超静定结构。因此,当桥较矮且受水位控制而不能采用最经济合理的32 m(或24 m)简支梁桥方案时,通常选用的都是结构高度较小的小跨度框架方案。框架方案的优点是整体性好，沉降较均匀,缺点是基础工程量大，造价高。

深层软土地段的桥梁一般不采用超静定结构的原因是担心不均匀沉降。之所以引入小跨度板式连续刚构,主要是为了降低桩底持力层的附加应力。当桩长超过一定的长度后,采用小跨连续刚构,荷载通过桩身扩散到桩底持力层的附加应力较小,对于桩底为比较均质的土层来说(土层的厚度、力学性质基本相近),沉降更接近于均匀沉降。而且,板式刚构梁的刚度相对较小,对不均匀沉降的敏感性小,只要将桩底置于较好的持力层,并在设计中考虑一定的不均匀沉降量,结构的安全是可以确保的。下面以甬台温铁路渔金特大桥设计为例，介绍小跨度连续刚构的应用情况。

2 工程案例

渔金特大桥位于宁波市鄞洲区,主要穿越2个村庄,并上跨1条既有道路和2条规划道路。双线铁路,线间距4.6 m,设计行车速度160 km/h,全桥位于曲线半径为1 600 m的圆曲线上。

该桥轨底至地面高度3～6 m。表层10.4～14.5 m为淤泥,流塑状,σ0=50 kPa；其下23.4～29.9 m为淤泥质粉质黏土,流塑状,σ0=70 kPa；再下14.5～18.3 m为软塑粉质黏土和中密粉砂互层,σ0=110～120 kPa；再下为中密砾砂,σ0=300 kPa。

全桥孔跨布置：(1-12 m)框架+18×(2-10 m)框架+(1-6.35 m)异型框架+2×(1-14 m)框架+(1-8.8 m)异型框架+5×(2-10 m)框架+(1-9.5 m)框架+(1-5.58 m)异型框架+4×(1-12 m)框架+(1-8.8 m)异型框架+6×(2-10 m)框架+(1-14 m)框架+(1-8.8 m)异型框架+4×(1-12 m)框架+(1-5.33 m)异型框架+4×(2-10 m)框架。除立交、排水及过渡段采用特殊孔径或异形框架外,一般地段均采用双孔10 m框架。框架之间设5 cm沉降缝(如图1)。

图1 框架结构布置(单位：cm)

2-10 m框架,顶板厚65 cm,底板厚80 cm,边墙厚70 cm,中墙厚60 cm,底板下设150 cm厚混凝土承台,采用PHC500-B管桩,桩长48～52 m。

3 方案比较

渔金特大桥施工图设计基础全部采用D50 cm打入桩,打入桩数量多,密度大。施工时,受到桥梁穿越村庄的强列阻扰,经过多方多次磋商,均未达到满意结果。主要是地方要求先期赔偿数额具大,且后期赔偿数额具有不确定性。为了消除基础施工对房屋安全的影响,只得同意将打入桩基础改为钻孔灌注桩基础。将122 352 m(2 480根)D50 cm预应混凝土管桩改为D100 cm钻孔灌注桩需66 136 m(1 240根),增加投资约2 100多万元。另外,3条道路下穿立交的深基坑钻孔灌注桩支护以及框架基础基坑开挖LarssenⅣ型钢板桩支护,增加投资约1 500万左右,对于桥长只有1 003.67 m(桥高小于6 m,最大跨度小于16 m)概算已达8 000万的桥再增加3 000多万,造价明显过高。因此,有必要选择更为合理的结构形式。

经技术、经济比较后,除后殷路立交、过渡段采用特殊孔径异形框架，以及东部三号路、南外环路、小河沟采用特殊孔径刚构外,一般地段均采用(10.45+2×10.8+10.45) m四孔一联连续刚构，代替2个双孔10 m框架结构(如图2)。

全桥孔跨布置：(5.5+14+5.5) m异形框架+9联(10.45+2×10.8+10.45) m连续刚构+(5.34+5.35) m异形框架+1联(10.45+2×10.8+10.45) m连续刚构框架+1联(11.5+2×16+11.5) m连续刚构+(5.78+5.85) m异型框架+2联(10.45+2×10.8+10.45) m连续刚构+(4.09+4.10) m异型框架+1联(15.5+2×20+15.5) m连续刚构+(8.08+8.24) m异型框架+3联(10.45+2×10.8+10.45) m连续刚构框架+(8.08+7.86) m异型框架+1联(15.4+2×19+15.4) m连续刚构框架+(7.67+7.88) m异型框架+(7.86+7.59) m异型框架+1联(11.4+2×16+11.4) m连续刚构框架+10.8 m异型框架。桥梁全长1 013.48 m。

图2 刚构结构布置(单位：cm)

采用连续刚构桥后,避免了基坑开挖形成一条1 km多长、10余 m宽、3 m多深的长大拉沟。

4 小跨度连续刚构设计

4.1 跨径组合

(10.45+2×10.8+10.45) m

4.2 结构尺寸

桥宽960 cm,梁高70 cm,墩身厚度80 cm,承台长度1 035 cm、宽度485 cm、厚200 cm,每墩采用8根D100 cm钻孔灌注桩,桩长52 m。

4.3 主要设计荷载

荷载包括恒载(结构自重、二期恒载等)、中活载、离心力、列车摇摆力、混凝土收缩及徐变、基础不均匀沉降(不均匀沉降按5 mm计)、制动力、风力及温度变化影响力等。

4.4 参数计算

边跨墩上设活动支座,刚架桥墩上与梁体固结,下与承台固结,梁体与墩桩基础共同受力,建立全桥计算模型时,考虑桩基础的组成形式及桩周土层的力学性质对结构受力影响。

对桩基础的模拟是将群桩基础按等刚度原则换算成一带弹性支承的单柱结构。

4.5 荷载组合

主力：恒载+列车活载+混凝土收缩+徐变+不均匀沉降；

主力+附加力1：恒载+列车活载+混凝土收缩+徐变+不均匀沉降+制动力+均匀升降温+非均匀升温；

主力+附加力2：恒载+列车活载+混凝土收缩+徐变+不均匀沉降+制动力+非均匀降温。

恒载边跨跨中4.2 mm,中跨跨中2.8 mm；静活载边跨跨中3.0 mm,中跨跨中2.3 mm；静活载挠跨比1/3 483,远小于规范要求1/1 400；恒载及静活载引起的跨中最大竖向挠度小于15 mm,可不设梁体预拱度。

主力工况设计最大单桩桩顶轴向力1 592 kN,设计单桩容许轴向承载力为1 918 kN。

5 结束语

框架桥改为连续刚构桥后,减少了对当地居民的生活干扰,确保房屋和财产安全,减小了基坑开挖、弃土及基坑开挖支护工程量,上部结构C40钢筋混凝土由20 599 m3降为13 919 m3(减少6 680 m3),承台C30混凝土由14 309 m3降为7 818 m3(减少6 491 m3),D100 cm钻孔灌注桩由66 136 m降为32 234 m(减少33 902 m),外运弃土由56 529 m3降为26 833 m3(减少29 696 m3)。修改设计后,降低造价超过4 000万,经济效益明显。

通过对比可知,对于深层软土地段的桥梁,无论从工程的合理性和经济性来看,采用小跨度连续刚构桥方案比框架桥方案具有明显的优越性。

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