基于散体平衡理论公式的软土地基桥台受力分析及处治

2017-07-05王国伟福建君达建设有限公司漳州363000

福建交通科技 2017年3期

关键词：桥台抗剪软土

王国伟（福建君达建设有限公司，漳州363000）

王国伟
（福建君达建设有限公司，漳州363000）

本文通过基于散体平衡理论导出的沈珠江公式对软土地基桥台进行了理论分析，提出实际设计过程中的计算方法，同时提出根据实际情况选取的软基处理方式。

软土地基桥台位移被动桩

1 概述

我国东南沿海福建地区绝大部分属于天然软土地基区，浅部软土普遍发育，软土主要为滨海沼泽相堆积类型。地基土层以较厚的第四纪松散沉积物组成，基岩埋深甚至达300m以上。

对于在软基场地修建的桥台桩基，桥头路基填筑对于桥台桩基的影响主要有两个方面：一方面，桥头路基填土引起淤泥质土层的流动，对桩基进行侧向挤压，使桩基产生较大的水平位移，甚至断裂；另一方面，路基边坡土体有可能在软土层中形成贯通的滑动面。当最危险滑面位置较深，而桥台桩基又处于滑动体影响范围内时，滑带以上部分土体的移动或蠕动会对桩基产生相当大的推力，足以使桩基毁坏。因此，软基修筑的桥台桩基属于典型的“被动桩”。对于被动桩，打桩、堆载和开挖作用都可能导致桩周土体产生可观的水平位移而使桩身受到侧向荷载的作用。在软土地基中，堆载或开挖引起的土体水平位移可达到堆载高度或开挖深度的1%～2%甚至更大[1-3]。

桥梁设计中由于设计水位、建筑高度等条件的限制，一般都会填筑台后路堤，少则三四米，多则七八米的台后填土，引起台后的大量“堆载”。桥台一般设置在河岸畔，台前形成临空面，桩基上部处于放坡线范围，相当于“开挖”作用。土的侧向荷载对桥台桩基的水平位移和弯曲变形具有重大影响，往往导致桥台桩身发生挠曲，严重时将导致桥台或桥梁结构的破坏。在实际工程中，由于桥头路基填筑引起桥台侧移、开裂，桥台桩身剪切破坏、弯曲破坏的事故屡见不鲜。

2 地基规范中桩基位移计算模型及存在的问题

被动桩的土压力计算是十分复杂的，目前运用最广的是基于土体位移的分析方法。李国豪[4]采用弹性地基梁解析法利用桩的挠曲微分方程来求解水平向荷载。软土部分流动作为外荷载加载在桩身，硬土区作为桩身的弹性边界（力学模型示意图如图1所示），采用Winkler地基梁模型计算对桩身位移产生抗力。

图1 桥台桩土相互作用力学模型示意图

《公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）》[5]（以下简称“规范”）采用“m”法完全的线弹性地基反力法进行计算，即认为桩基自上而下均符合Winkler弹性模型，未考虑软土层的不利影响。且土的水平抗力系数的比例系数m取值范围较大，在设计实践过程中，计算结果往往具有争议性。

3 流动土体位移模式及桩侧压力计算

利用土体变形来分析桩的变形甚至破坏及荷载效应可以帮助我们认清桥台桩与土体相互作用的本质，合理计算软土对桥台桩基产生的侧压力对研究桩基变形性状至关重要。

沈珠江[6]根据散体极限平衡理论，假设土层无限广阔并沿水平向对垂直桩作相对运动，且桩的侧面绝对粗糙，得到圆形桩单位桩长上的绕流阻力公式见公式（1）。

式中，p（z）——土体移动对桩产生的附加水平侧压力（kN/m）；

σz——附加竖向压应力（kPa）；

σc=c·ctgμ(kPa)；

c，φ——软土地基的粘聚力（kPa）和内摩擦角；

D1——桩中心距（m），D2为桩间距（m）。

由上式可以看出，土体对于桩基产生的水平推力，除与桩径（D1-D2）及附加竖向荷载有关外，软土地基土体的抗剪强度指标c、φ值有关。因此，无论是淤泥质土体流动产生的侧向推力，还是产生贯通的滑动面。本质上，都是土体自身抗剪强度不足，软土地基的剪切破坏导致。

图2和图3为P（z）/D1随内摩擦角和内聚力的变化图。

图2 P（z）/D1随内摩擦角的变化图

图3 P（z）/D1随内聚力的变化图

由图2、图3可知，在桩基设计一定的条件下，软土地基对桥台桩基的水平推力随内摩擦角和内聚力的增大而增大，P（z）与内摩擦角的正切值tanφ近似呈二次抛物线关系，而与内聚力近似呈线性关系。

而当土体呈流动状态，即φ=0时，公式（1）可以进一步简化为公式（2）：

这里求出的P（z）值可以作为粘性土的极限土压力。

Randolpth＆Houlsby在进行不排水情况下受侧向被动荷载桩的性状分析中采用经典塑性理论得到的被动荷载精确解为公式（3）：

公式（2）、（3）形式相同，可以将其作为桥台桩基极限侧向力。需要指出的是，沈珠江公式假定土体已发生塑性变形，桩土体系达到极限平衡状态。在桥台桩基设计，将其作为水平荷载加载在桩基，对桥台桩顶位移进行精确计算时，应对台后填土状态进行分析，考虑软土地基层是否已经破坏。

4 桥台软基的处治措施

由于软基桥台水平位移非常敏感，对于软土地基的桥梁，桥台桩顶的水平位移难以满足规范要求。因此，软土地基修筑的桥台，一般需要对路桥过渡段的软基进行处理。

如前所述，桩侧土压力与土体抗剪强度及桩基布置有密切关系，处理措施主要针对这两方面，即对软土地基处理的地基改良方法和以改变桩基布置形式等的基础改良法。

排水砂桩法和塑料板排水法都是通过改善土体的排水环境，加快软软土地基的排水固结，改善地基状况，提高土体的抗剪强度指标，增强地基的稳定。对于通过排水固结法改良的软土地基，可以将经过处理的“软土层”当成符合Winkler弹性地基梁的“硬土层”进行考虑，按照规范推荐“m”法进行计算。常用的加快排水固结的方法还包括预载填土和真空预压等方法，其作用都是提高土体的内摩擦角φ和内聚力c值，提高土体抗剪强度，从根本上解决软土的侧向压力问题，适用于软基范围较小、工期比较宽松的中小桥梁工程。

水泥土搅拌桩、混凝土或钢筋混凝土刚性桩也是改良软土性质的方式，但是与排水固结法有本质不同，这种方法没有改善土体的抗剪强度，而是通过刚性桩特性，分散承担软土流动产生的水平荷载，从而对桥台桩基进行保护。适用于深厚软基、高填土桥台的软基处理。

基础改良法可以通过改变桩基布置方式抵抗土体水平荷载。例如，将单排桩改成多排桩或梅花桩布置，离心模型试验很好的证明了这一点。而设置斜桩可以克服直桩抗剪性能差的特点，将水平荷载分解成桩基的竖向荷载，例如位于黄浦江的南浦大桥桥台即采用斜桩设计。

桥台软土地基的处理方法应该根据实际情况灵活选取，上述方法可单独使用，也可以采用多种综合的方法，确保工程设计安全、经济。