无桥台斜腿刚架桥台后土沉陷及防治对策

尚 刚

(安阳西北绕城高速公路有限公司， 河南 安阳 455000)

无桥台斜腿刚架桥(图1)是一种结构内部整体无缝、不设支座、经济及便于养护的新桥型[1～5]。该结构是在传统的斜腿刚架桥基础上增设边斜腿并取消与路堤衔接的桥台而形成的，体系上属于无缝式整体桥梁。主梁与斜腿固结，类似于多跨连续梁，端部做成L字形，搭板置于其上，可以做成单跨或多跨结构，具有以下特点：(1)结构内部无缝，桥面连续，行车舒适平稳，不设支座，经济及后期养护方便；(2)桥型结构合理，兼备梁与拱的优点而呈现良好的力学性能，相比传统斜腿刚架桥，新结构主梁内力减小，边斜腿可较好平衡基础水平推力；(3)不同地质条件下，适应性较强。

图1 无桥台斜腿刚架桥示意

这种新型结构从二十世纪90年代初期提出至今，由于其结构内部整体无缝、不设支座、后期养护方便和造价低廉等优点，在中小跨度的桥梁中具有非常显著的优势，得到较快发展，表现在以下方面：(1)修建数量不断增加：已经在湖北、江西、河南等省市累计修建300余座[6～8]；(2)单孔跨度：采用普通钢筋混凝土结构，单孔最大跨度L(图1)达到43.2 m，桥长62.6 m(如武汉绕城高速和京珠高速湖北段上多座跨线桥)；采用预应力结构，单孔最大跨径L达到56.16 m，斜度30°，桥长80.69 m(如武汉绕城公路黄陂互通主线桥和318国道跨绕城公路桥)。(3)连续桥长：连续桥长已达到163 m(如广东陆河泰安桥)。

相比其它桥型，目前修建数量虽然相对较少，但近几年呈现快速发展态势，一方面是其具有的优势逐渐被认识接受，另一方面是大量的前期研究为其发展奠定了基础[9～15]。然而，对已建成的无桥台斜腿刚架桥调查发现，该桥型存在台后填土沉陷、路基沉降和桥头脱空等共性病害(图2)。上述病害导致桥头跳车现象严重，引发桥头与路基相连接处脱空、牛腿破损以及路基沉陷；同时，部分甚至全部土体与边斜杆分离，无法起到台后填土对结构的拱式效应，进而增加了结构载荷效应。不仅影响桥梁正常使用，且危及结构安全。

图2 台后填土沉陷

为此，研究基于Drucker-Prager模型，计入静水压力对土体粘聚力与内摩擦角的影响，考虑土体的多相松散颗粒塑性变形特点，对土体开展蠕变分析，深入研究台后土体的变形行为。同时，计入土与结构的相互作用，探讨台后土沉陷对结构的影响。最后，结合工程实践，提出控制台后土沉陷的有效措施。

1 回填土沉陷分析

填土在载荷作用下，其沉降主要由瞬时沉降Sd、主固结沉降Sc(t)和次固结沉降Ss(t)三个部分组成(图3)：

S(t)=Sd+Sc(t)+Ss(t)

(1)

图3 回填土沉降构成

以上三部分沉降交错进行，区别在于不同阶段以某一种沉降为主。当然，对于不同的土质，三者发生的时间和大小存在差异。

为分析该桥型台后回填土及地基土在载荷下的变形行为，研究将基于Drucker-Prager模型和式(2)屈服准则，并计入土体排水固结等特性影响，深入研究土体破裂面、沉陷和脱空现象。

(2)

以某三跨20+ 41+ 20 m无桥台斜腿刚架桥为例，采用扩大基础，土体从上至下依次为含砾黏土、粉质黏土和灰岩，土体参数如表1。

基于ABAQUS软件进行结构-土相互作用整体分析，均采用实体单元。数值分析范围如下：台后土体取向外延伸10 m，横桥向土体宽度取30 m(桥宽18 m)，下层土体边界距扩大基础底面25 m，土-结构相互作用模型如图4。

载荷下桥头顶面土体沉降时程曲线如图5。从中可见，时间增量0.19(时间归一化处理，即以固结终止时间为1，开始固结时为0，期间按0～1变化)之前沉降随时间为线性变化，即在荷载作用之初，土体主要表现为瞬时沉降Sd。当时间增量介于0.19～0.8之间时，由于超孔隙水压力促使水排出，应力增量转移到土体骨架上，该阶段以主固结沉降Sc(t)为主，因此变形量迅速增大，土体体积发生较大的压缩。之后，沉降时程曲线趋于平缓，原因在于超孔隙水压力消散以后，有效应力变化较小，此时地基土中土粒骨架产生蠕变，以次固结沉降Ss(t)为主，体积变化较小。随着时间的增长，桥头与路基连接处土体竖向位移趋于2.843 cm。

图4 土-结构相互作用模型

图5 桥头土体沉降时程曲线

荷载下土体效应如图6所示。图6a显示自重作用下台后回填土的累积塑性应变，由图可见塑性应变从回填土坡脚逐渐向坡顶延伸，并从坡脚开始与边斜杆大致平行的方向向上形成滑动面。图6b所反映的土体等效应力表明，扩大基础周边及往下一定深度区域存在一个较高应力度的地基失效“潜伏区”。

图6c显示边斜杆回填土的坡顶发生2.07 mm的沉降，对应位置桥体竖向位移值为0.66 mm，该位置土体与结构之间出现了0.45 mm的脱空，边斜杆顶部与土体接触部位则产生1.41 mm脱空。在扩大基础的底部，地基土发生2.498 mm的沉降变形，且底部沉降不均，导致基础存在发生顺时针转动的趋势。使得地基土受到不均匀的压力，还给回填土施加了一个坡脚处的推力，导致回填土体更易发生滑坡、松动，进而加剧了土体与结构脱空。

表1 土体特征参数

图6 载荷下土体效应

2 无桥台斜腿刚架桥土与结构相互作用特点

无桥台斜腿刚架桥土与结构的高度耦合作用，也导致台后回填土沉降严重影响结构效应。

该桥型土-结构的接触及变形如图7，具体特点如下：

图7 无桥台斜腿刚架桥土-结构接触及变形示意

(1)由于边斜腿与中斜腿在基础顶面收拢，形成倒三角形的V型刚架,V型刚架的刚度最小点位于倒三角形的最低点，即上部结构与基础顶面的过渡处，这种构造特点使结构在荷载作用下，该部位成为V型刚架形变的相对转动点(图7中的O点)，相比将边、中斜腿竖直布置的结构，V型刚架的抗推刚度显然降低了，此外水平力作用下产生的转动也不可忽视(图7b)；

(2)V型刚架的刚度是从桥面往下逐渐减小，若路堤填土与边斜腿的接触面状态在相互作用过程中发生改变，导致填土不能有效为上部结构提供约束，则荷载作用下的结构变形将可能增大；

(3)由于V型刚架与土的接触面是斜置的，即使仅在竖向荷载作用下，边斜腿除了产生竖向位移Δy外，还产生水平位移Δx(图7b)，相应的接触面剪切应力和法向应力总是伴随出现，而且相互影响；水平力单独作用下也如此。因此，无桥台斜腿刚架桥边斜腿与土接触面的双向位移和应力存在相互耦合的特点；

(4)为了满足一定的边中跨比(图1中的L1∶L2)和基础布置考虑，边斜腿需要较长的构件长度和高度方可满足要求，而长度和高度的增加反而降低了构件刚度，土压力作用下边斜腿自身变形较明显；

(5)路堤填土由于固结和蠕变等因素产生沉降，导致土与结构接触面状态发生变化，而由于边斜腿斜置的特点导致接触面脱空范围比竖直布置的构造更大。

上述特点决定了无桥台斜腿刚架桥土与结构相互作用更为显著和复杂，设计希望桥后填土能对该结构提供拱式效应所需的有效约束，但台后填土脱空削弱了这种作用。

3 防治措施

由于无桥台斜腿刚架桥土与结构相互作用的特殊性，台后填土的沉降不仅影响行车条件和路堤稳定，还降低了结构刚度，增加了结构载荷效应，而常规的边坡治理办法无法根治该类结构台后填土沉降和降低对桥梁的影响，亟待寻求有效的治理措施。

(1)不同土质的影响

不同的土质，其与结构边斜杆底部的摩擦系数不同，一般情况下，土的内摩擦角越大，则该摩擦系数也越高。界面上不同摩擦系数的分析结果如图8所示，由图可见，对于不同摩擦系数(对应不同的土内摩擦角)，其沉降效果显著不同，摩擦系数越大，边斜杆顶部回填土的脱空距离(竖向和水平向)均逐渐降低。因此，台后回填土应采用内摩擦角相对较大的砂性土，一方面增加土体内部的咬合力，提高抗滑动能力，同时有利于排水。

图8 脱空与接触面摩擦系数关系

(2)回填土底部设置挡板

进行台后回填之前，在预填土底部先设置一个刚度较大的挡板(图9a)，其目的是增大填土应力扩散面积，改变回填边坡滑动点位置和破裂角，进而改善台后回填土的沉降和稳定性。有限元分析表明，上文工程案例设置挡板后，脱空距离由3.5 mm降低到1.9 mm。可见，底部设置挡板可以较大程度改善回填土沉降。

图9 台后填土处理方式

(3)锯齿状边坡设置

在浇筑边斜杆之前，事先将回填土分层填筑好，并在迎桥坡面形成锯齿状边坡(图9b)。这样实施有利于台后路堤的形成，确保回填土密实度满足要求，同时锯齿状的边坡提高了边坡抗滑动能力，也改善了路堤变形。

4 结 论

基于无桥台斜腿刚架桥工程的共性病害，论文从回填土沉降、该桥型土与结构相互作用特点及有效防治措施等方面开展研究，得出以下结论：

(1)台后回填土的沉降由瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降三部分构成，三种沉降交错进行，其中主固结沉降占有较大比例；

(2)由于结构特点，斜腿基础在回填土坡脚处施加一被动推力，导致回填土体更易发生滑坡、松动，进而加剧了土体与结构脱空；

(3)路堤填土沉降导致土与结构接触面状态发生变化，而由于边斜腿斜置的特点导致接触面脱空的范围比竖直布置的构造更大，且脱空后结构抗推刚度下降。此外，数值分析表明，基础底部和坡脚区域存在高应力“潜伏区”；

(4)增大回填土内摩擦角、填土底部设置挡板和采用锯齿状边坡均有利于边坡稳定，降低台后填土沉降。