铜陵市沿新大道下穿桥桥台设计简析

2015-10-21杨家发

建筑工程技术与设计 2015年8期

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桥台设计。

【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，下穿站前的三條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。

（6）微风化灰岩：黑色及青灰色，细粒结构，块状构造，岩体较完整，结构致密坚硬，节理裂隙发育，裂隙面上有溶蚀及铁质浸染现象，方解石细脉较发育，岩芯呈柱状，长度一般5～40厘米，岩芯采取率达78%，野外钻进速度较均匀，钻进过程中返水正常，为硬岩，岩体基本质量等级Ⅳ级。该层岩溶发育程度强烈，发现8只溶洞，钻孔见洞率为58%。溶洞标高在0.00左右，溶洞高度大小在1m～2m。

地质断面图如下图所示（单位：米）。

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。

桥位处地势开阔，无建筑物及地下管线干扰，具备浅基础施工的放坡开挖条件，选择浅基础无施工障碍。作为浅基础，由于桥台高度高，地基下又有软弱下卧层，首选考虑的应是钢筋混凝土扶壁式桥台。为减小对软弱下卧层的影响，减少开挖量，基础埋深尽量减小，考虑到下穿道路结构层厚0.78米，基础底板厚1米，基础埋深定为1.78米。由于台后土压力的作用，桥台地基最大应力在前趾处，为均衡地基压应力，应增大桥台前趾的长度，但下穿道路靠桥台处有一雨水管道，埋深2米左右，经与排水专业协调，桥台前趾只能外伸1.3米。扶壁式桥台构造示意图如上图所示（单位：标高以米计，尺寸以厘米计）。

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

偏心距容許值[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。