软土地基桥台变位的病害机理与预防措施

2020-09-28张召磊项志明

工程技术研究 2020年12期

张召磊，项志明

（安徽合一预应力工程有限公司，安徽芜湖 241000）

桥台作为连接路基部分和桥梁主体的重要组成部分，在设计和施工的过程中存在诸多问题，由于路基的填筑材料和桥梁混凝土之间的差异，使得两者容易发生不同步的变形、位移，导致桥台出现裂缝，同时还会造成承台不均匀沉降、桥头跳车等，特别是在软土地基地区，桥台病害问题尤为突出。这些病害会造成车辆在行驶过程中的舒适性骤降，且容易引发交通事故。因此，针对软土地基桥台，展开系统的研究并提出相关的治理措施至关重要[1-2]。

1 软土地基桥台变形机理

1.1 软土地基桥台桩基受力分析

（1）软土地基的侧向位移。根据理论以及实践证明，在软土地基中，桥头路基的填筑往往会引起下覆软土发生侧向的变形，软土作为一种特殊土，其发生的侧向水平位移会更大。但是如果在地基中设置桩基础，桩基础的模量远大于土体，可以看作一种刚性构件，会对周围的土体的位移起到一定的抑制作用。在软土地区，地基产生侧向位移，主要的原因有两方面，一是自身因素，二是荷载的作用，即施工过程中填土的作用以及车辆行驶过程中的行车荷载[3]。

（2）软土地基中桥台桩基的附加水平力。桩基可以对软土地基的侧向水平位移起到一定的阻碍作用，在位移发生时，桩基会受到地基土对其造成的侧向水平力，即附加水平力。位移越大，附加水平力也就越大。除此之外，附加力的大小还会受到作用面积以及桩体本身材料的影响，桩基越粗，有效接触面积增大，附加水平力也随之变大。另外，桩基的刚度越大对土体的阻碍也就越有效。

1.2 软土地基桥台的位移模式及受力分析

桥台除了需要承受来自上方的行车荷载，还需要考虑桥台台后填土的侧向压力、附加水平力以及由于地基固结沉降而产生的负摩阻力等。文章认为桥台的位移模式有两类，其一是由T模式与RB模式组合形成的RBT位移模式；另一类则是由T模式与RT模式相互作用形成的RTT模式[4]。其中，T模式的位移是水平移动的，另外两种位移模式则是转动的，差异主要体现在作用点的不同上，RT模式是以桥台的顶为中心，RB模式是指以桥台踵为中心。RBT与RTT位移模式的示意图如图1所示。

图1 桥台结构的RBT与RTT模式

当土层分布均匀时，土体的侧向力与侧位移在深度方向呈线性分布的状态，此时是RBT模式；反之，则是RTT模式。应力传递过程与效果：桥台台后的填土荷载导致软土地基出现侧向变形，进而引发附加水平力并发生沉降产生负摩阻力。在力的作用下桩基出现挠曲变形和侧向位移，进而导致整个桥台出现不均匀沉降的现象。而不均匀的沉降反过来又会对侧向土压力、负摩阻力和附加水平力产生影响。如此循环作用，最终突破桥台破坏的临界状态，导致病害的产生。

2 桥台病害预防措施

2.1 设置桥头搭板

在路桥交接处，桥台与软土路基之间的不均匀沉降导致两者之间存在着一定的高差，引发桥头跳车现象。根据相关的研究以及工程实际测试发现，在路桥连接处设置桥头搭板能够有效解决该问题。使用桥头搭板有助于协调桥台与路基的变形，降低路桥之间的沉降差，进而减轻不均匀沉降作用。

2.2 加强路基填料的选择

改善桥台台后填料的质量。台后的填土对桥台的侧向力影响极大，台后填土的优劣直接决定了防治措施的优劣。桥台的许多病害都是由填土所引起的，在实际工程中应采用模量大、易压实的材料，或者透水性较为良好的粗粒土，这些材料能够及时排除土体中的水，加速台背填土的固结。

2.3 改进排水设施

加强改善桥台台背后填土的排水系统，尽可能减少路面雨水从缝隙渗入地基中。可以设置盲沟或者泄水管，在管道的周围充填透水性良好的材料，并且用土工布对盲沟的出水口处做必要的处理。除此之外，在每一个结构层的层底都设置一个3%左右纵坡。

3 软土地基桥台土压力作用机理数值模拟

为验证桥头搭板对解决桥台病害的效果，运用FLAC3D对某路段的桥头进行数值模拟分析，桥台等构筑物的实际尺寸如图2所示，各土层以及构筑物的物理力学参数如表1所示。

图2 实体计算模型几何尺寸

表1 各土层及桥台的物理力学参数

其中表示ρ密度，K表示体积模量，G表示剪切模量，c表示粘聚力，φ表示内摩擦角。

文章选用梁单元来模拟桥头搭板，梁单元作为杆件单元具有各项同性且无屈服，这些与桥头搭板的作用机理是完全符合的。此处只是考虑桥头搭板对桥台土压力的作用，故而对施工完成后的模拟数据位移清零，之后再设置搭板。桥头搭板设置前后桥台和填土的位移图如图3所示。由图3可以看出在不设置搭板的情况下，车辆等上部荷载会直接作用在填土上，而且侧向位移相对比较大，最大位移为3.4mm，侧移发生的位置相对较浅；沉降则主要是发生在桥路过渡连接的位置，且沉降较大，最大沉降达到了3.2cm。在设置桥头搭板后，荷载的作用经过桥头搭板的传递，最大位移仅有0.8mm；此时的沉降主要发生在搭板的尾端，有效减少了不均匀沉降。由此看来，设置桥头搭板能够有效抑制位移的发生，减缓桥头跳车现象。