铜陵市沿新大道下穿桥桥台设计简析
2015-10-21杨家发
杨家发
【摘要】铜陵市沿新大道下穿桥桥位处地质结构复杂,既有软弱下卧层,又有发育程度强烈的溶洞。桥台设计时,通过比选不同型式的桥台,优化桥台结构型式,最终采用空心型式的浅基础桥台,成功地解决了在这样复杂地质情况下的橋台设计。
【关键词】桥台;软弱下卧层;溶洞
工程概况:铜陵市沿新大道是铜陵市主城区东部的一条南北向城市主干道,具有承载过境交通的功能。在沿新大道20+00~25+00的东侧有新建的铜陵市新火车站,站前有三条规划道路与沿新大道相交。考虑到火车站站前道路车辆和行人较多,与过境车辆发生冲突,影响交通通行,因此沿新大道下穿站前的三条规划道路,过境车辆从下穿道路通过。此段沿新大道道路总宽55米,其中下穿道路净宽为16米,为双向四车道。
为了节省工程造价,下穿站前的三条规划道路没有采用箱涵结构,而是采用桥梁型式,采用桥梁型式也便于下穿道路埋设雨水管道。为降低桥梁结构层高度,减小下穿道路的坡度和长度,桥梁采用简支空心板桥。桥下净高不小于4.5米。现以三座桥中的二号桥为例,说明其桥台的设计。二号桥桥面标高在18.8左右,桥下路面标高在11.8左右。桥梁设计荷载为城—A级。
工程地质:二号桥桥位处场地地层自上而下依次为:
(1) 填土:褐黄及灰色,密实,湿~饱和,由混凝土、粘性土及碎石组成,局部底部含腐烂物及有机质。层厚2.30~2.70米,层底标高15.96~16.37米。
(2) 可塑粉质粘土:灰、褐黄及灰黄色,可塑,湿,含氧化铁斑点和灰色高岭土质细条纹,无摇震反应,刀切面稍光滑、稍有光泽,干强度中等,韧性中等。层厚1.10~2.10米,层底标高14.26~14.86米。
(3) 硬塑粉质粘土:褐黄、灰黄及黄灰色,硬塑,稍湿,含铁锰结核和灰色高岭土质细条纹,无摇震反应,刀切面稍光滑、稍有光泽,干强度中等,韧性中等。层厚6.30~7.20米,层底标高7.61~7.93米。承载力基本容许值[fa0]=240 kPa,重度r=19.9KN/m3 。
(4) 残积硬塑粘土:系灰岩风化残积层,棕红及红棕色,硬塑,稍湿,含灰白色高岭土条痕或斑纹及黑色铁锰物质,夹少量泥页岩风化物及灰岩碎块,无摇震反应,刀切面光滑,干强度高,韧性高。层厚0.70~0.80米,层底标高6.90~7.10米。承载力基本容许值[fa0]=220 kPa,重度r=18.0KN/m3 。
(5) 残积可-软塑粘土:系灰岩风化残积层,棕红及红棕色,可-软塑,湿-饱和。该层在场地范围内普遍分布,层厚1.90~2.40米,层底标高4.50~5.20米。承载力基本容许值[fa0]=110 kPa,液性指数IL=0.74。
桥台设计:下面从桥台型式的选择入手简述桥台的设计过程。
对于下穿桥桥台,桩基础是常用的一种桥台型式,它既是成桥的桥台,也是施工过程中的支护挡土结构。采用桩基础桥台,不仅可以避免大开挖,减少开挖土方量,同时它还能保证基坑周边的建筑物及地下管线的安全和正常使用,因此在建筑物密集的城市,下穿立交桥梁的桥台基本上都采用排桩基础或是咬合桩基础。具体到本工程,下穿道路路面标高在11.8左右,而微风化灰岩顶面标高在5.00左右,如采用桩基础,无论作为支护还是作为桥台,都应嵌入到微风化灰岩岩层中一定深度,且桩端底下5m范围内应无岩洞分布⑴,但该岩层中溶洞发育程度强烈,埋深也不符合要求,因此本桥不宜采用桩基础,宜采用浅基础。
桥台收到如下力的作用:自重、土的竖向力和侧压力、上部结构的作用力以及桥头搭板的作用力。其荷载不利组合为:结构自重+土重+土侧压力+汽车荷载(包括冲击力)+汽车制动力+汽车荷载引起的土侧压力。经过试算,桥台基底宽度在4~6米时,基底最大应力约为280 kPa~270 kPa,再增加桥台底板宽度,对减小基底应力不明显,同时也不经济。根据地质报告,硬塑粉质粘土承载力基本容许值[fa0]=240 kPa,虽然桥台基底在天然地面以下8米多,但距下穿道路顶面仅1.78米,由于下穿道路宽16米,桥台后背的土体不能对桥台前趾处土体的隆起破坏起到限制作用,基础埋深只能从下穿道路路面算起⑵,因此,基底应力不予深度修正。显然桥台基底压应力超过该层地基容许压应力,此种桥台不能满足要求。
从扶壁式桥台的受力看,要减小桥台基底应力,可以减小台后填土的重力,也可以将空心板的支承中心线移到桥台底板形心的后侧,以平衡台后土压力对桥台基底重心轴的弯矩,为此将上述的扶壁式桥台改为空心型式的桥台,其构造示意图如下图所示(单位:标高以米计,尺寸以厘米计)。
经计算,每米宽桥台在最不利作用短期效应组合下,竖向力合力N=538KN,对基底重心轴的弯矩M=63KN·m,基底最大压应力为
Pmax=N/A+M/W=538/4.02+63/2.69=157 kPa<[fa0]=240 kPa
基底压应力满足要求。
下面验算基底合力偏心距。
e0=M/N=0.12m
Pmin=N/A-M/W=110 kPa
核心半径ρ= e0/(1- Pmin*A/N)=0.67m
偏心距容许值[e0]《ρ
显然e0<[e0],作用于桥台基底的合力偏心距满足要求。
桥台的抗倾覆稳定性系数为
K0=s/e0=2.01/0.12=16.75,桥台的抗倾覆稳定满足要求。
对于桥台的抗滑稳定性,两桥台间设置了支撑梁,具体计算此处不再赘述。
下面验算软弱下卧层顶的压应力。
残积可-软塑粘土层顶的压应力为
Pz=γ1*(h+z)+α*(p-γ2*h)
h为基底埋深,h=1.78m
z为基底到残积可-软塑粘土层顶的距离,z=9.838-7.1=2.74m
γ1为深度h+z范围内的土换算重度,经计算γ1=19.69 KN/m3
γ2为深度h范围内的土重度。γ2=19.90KN/m3
α为土中附加应力系数,桥台两沉降缝间距为20米,即l=20米,l/b=4.98,z/b=0.14,查《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)附录M第M.0.1条并直线内插得α=0.98
p为桥台基底压应力,因z/b=0.14,Pmax和Pmin相差不大,故p取距最大压应力点b/3点处压应力值⑶,p=( Pmin+2* Pmax)/3=142 kPa
Pz=19.69*(1.78+2.74)+0.98*(142-19.9*1.78)=194 kPa
残积可-软塑粘土层顶的容许压应力为
[fa]= [fa0]+ γ1*(h+z)=110+19.69*(1.78+2.74)=199 kPa
Pz<[fa],残积可-软塑粘土层顶的压应力满足要求。
由于溶洞位于微风化灰岩中,该岩体较完整,结构致密坚硬,基础平面尺寸大于溶洞平面尺寸,基础有足够的支承长度,故不考虑溶洞对桥台基础的影响⑷。
结束语:从本桥的桥台设计可以看出,在复杂地质条件下,桥台型式的选择尤为重要。桥台型式的选择应根据工程具体情况,灵活运用,不可拘泥于常规型式。
参考文献:
[1]《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)第8.5.6条.
[2]《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)第3.3.4条条文说明.
[3]《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)第4.2.6条.
[4]《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)第6.6.5条.