软土地基城市跨河桥涵案例设计分析

刘承启

中国建筑西南设计研究院有限公司山东分院

摘 要：结合某软土地基城市桥涵工程，通过方案比选，确定了桥涵总体布置方案采用钢筋混凝土箱涵的形式。利用midas软件对结构整体受力进行了计算分析，结果表明:采用劲性体管桩的复合地基方案满足了箱涵对地基承载力要求。本工程案例的设计分析可为类似项目和工程提供参考。

关键词：软土地基;城市桥涵;箱涵结构;复合地基;

1 工程概况

某新建排水河道工程中，设计河道长度约1600m，河道宽度19m，河槽横断面采用矩形断面。根据工程总体方案设计河道下穿某现状市政路，因而该市政路需新建一座桥涵上跨设计河道。现状道路宽度为3m人行道+18m车行道+3m人行道=24m宽，现状道路标高为4.2m左右，桥位处洪水位标高为3.23m。

根据工程地质勘察 告，新设桥涵处场地存在淤泥质软土层，该土层地基承载力特征值较低为60～70kPa，不适宜直接作为结构基础的持力层，且现场淤泥质土层较厚。

2 桥涵方案布置

2.1 结构方案选择

在方案研究阶段，本工程对如下三种总体布置方案进行了对比分析:

(1)方案1:采用单跨20m先张法预制空心板桥，结构层厚度:15cm铺装层+95cm空心板厚度，该方案阻水面积小，下部结构施工的同时进行空心板的预制，整体施工速度快。但由于结构厚度较大，受现状场地标高限制，该方案需抬高道路设计标高，对现状道路影响较大。

(2)方案2:采用2×10m先张法预制空心板桥，结构层厚度:15cm铺装层+65cm空心板厚度，结构厚度较方案1有所优化。由于河道横断面为矩形河槽，方案1、方案2均需设置较高的桥台以起到河岸挡墙作用，且桥梁基础由于地基情况较差，需采用较长的桩基础穿过淤泥质软土层。

(3)方案3:采用三孔钢筋混凝土现浇箱涵结构，由于箱涵具有良好的整体性、单孔跨径减小，结构板厚最小。整体底板对地基承载力要求较低，因此基础的开挖深度优于方案1和方案2，基础采用复合地基形式以满足承载力要求。同时整体箱涵方案不需设置桥梁支座及伸缩缝装置，后期结构维护简便。

综合考虑本工程桥涵位于建成区，受设计洪水位及现状道路标高的限制，最终工程采用方案3现浇钢筋混凝土箱涵结构。

2.2 结构设计

桥涵断面布置为三孔整体箱涵结构，净宽度6+7+6=19m，净高度3.37～3.55m，横桥向通过箱涵净高度的变化实现道路的横坡设置，箱涵顶面设置防水层及路面面层，不再设置调平层。

箱涵沿道路中心线设置一道沉降缝，沉降缝位于道路黄线下，缝宽2cm。箱涵在河道的两端分别设置有河底铺砌和截水墙，以确保箱涵基底不受冲刷影响。河底铺砌采用M10级水泥砂浆砌MU30片石，厚度40cm。图1、图2为桥涵纵桥向、横桥向总体布置图。

箱涵顶板、底板、侧墙厚度50cm，中墙厚度40cm，箱涵每孔顶底板与侧墙中墙倒角处设腋角尺寸为30cm×30cm。箱涵横桥向两端在人行道位置设置0.5m宽悬臂板，以优化外观效果。两中墙设置分水尖，箱涵沿道路方向在两侧设置牛腿及搭板，新旧沥青路面进行搭接处理。

图1 纵桥向总体布置(单位:cm) 下载原图

图2 横桥向总体布置(单位:cm) 下载原图

3 结构计算分析

3.1 模型建立

整体箱涵计算采用有限元程序Midas/Civil软件[1]，箱涵结构均为单向板，建模取车行道下箱涵中心线方向1m宽框架进行计算，计算模型如图3所示。

箱涵侧壁及底板均施加弹簧支撑，计算考虑的荷载和作用有:结构自重、桥面铺装、土层及地下水的侧向压力;汽车荷载按城-A级、系统升降温、涵洞内的流水压力等;同时由于箱涵顶面没有覆土直接铺设路面面层结构，应按照规范要求考虑顶板温度梯度的作用对结构受力的影响。

3.2 汽车荷载加载

汽车荷载根据规范要求:桥梁结构的整体计算采用车道荷载，局部加载、涵洞等计算采用车辆荷载，因此建议本工程分别按照车道荷载和车辆荷载两种加载模式计算进行对比。

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[2]4.2节，计算箱梁顶板在车辆荷载作用下的纵桥向荷载分布宽度，根据荷载分布宽度换算出车辆荷载的单位宽度作用力，按照影响线进行最不利加载。

图3 midas计算模型 下载原图

提取车道荷载和车辆荷载加载模式下的弯矩包络图如图4～5所示，顶板中支点最大负弯矩:车道荷载下为-79.6kN·m，车辆荷载下为-86.5kN·m，两者相差8.7%。顶板中跨跨中最大正弯矩:车道荷载下为75.3 kN·m，车辆荷载下为75.4kN·m，两者基本一致，底板对应弯矩的差异较顶板更大。按规范要求车辆荷载加载分项系数为1.8，大于车道荷载的1.4，因此本工程车辆荷载加载起设计控制作用。

图4 车道荷载加载模式下弯矩包络图(单位:k N·m) 下载原图

图5 车辆荷载加载模式下弯矩包络图(单位:k N·m) 下载原图

3.3 计算结果提取

箱涵顶板、底板控制截面的各项主要荷载内力值见表1，基本组合下的结构的顶底板弯矩包络图如图6所示，箱涵顶板最大负弯矩-293kN·m，最大正弯矩247.0kN·m;底板最大负弯矩-335.0kN·m，最大正弯矩166.9kN·m。对于箱梁顶底板，各项荷载、作用中车辆荷载引起内力值最大，温度梯度的作用对顶板产生的弯矩影响同样不可忽略。

箱涵标准组合下基底反力通过提取模型中箱涵底板弹簧的支反力和对应分布宽度，计算得到箱涵基底最大应力pmax=支反力/分布宽度=44.5/0.375=118.7kPa，因此设计要求地基承载力达到120kPa。

表1 顶底板控制性截面内力值表 下载原图

由于桥涵采用闭合框架结构，结构层顶面直接铺设路面面层，需要对结构的整体抗浮稳定性进行验算。箱涵自身重力P1=26×27.8=721.9kN，铺装重力P2=0.1×24×20.8=49.9kN，结构所受浮力P3=10×3.49×20.8=725.9kN。结构抗浮系数K=(721.9+49.9)/725.9=1.06>1.05，因此抗浮计算满足要求。

图6 基本组合下箱涵顶底板弯矩包络图(单位:k N·m) 下载原图

4 复合地基设计

4.1 复合地基方案

由于箱涵基底位于淤泥质软土层，地基可采用换填处理或复合地基方案[3]。由于场地淤泥质土层较厚，换填方案的挖除换填工程量较大，经济性及可靠性欠佳，因此考虑采用复合地基方案。复合地基采用混凝土劲性体地基处理方法，相比于水泥搅拌桩复合地基方案，劲性体方案构件采用预制施工，劲性体管桩质量可靠、现场施工速度快，且施工过程中对环境影响较小。

设计劲性体管桩外径400mm，壁厚60mm，竖向抗压承载力设计值1320kN。桩长9m，桩距2.5m，等边三角形布桩，管桩嵌入强风化花岗岩层0.5m。桩尖采用十字形钢桩尖，桩身混凝土抗渗等级要求不小于P10。

桩顶设置尺寸为1.2m×1.2m×0.3m的C40钢筋混凝土桩帽，褥垫层采用10cm级配碎石+双向土工格栅+30cm级配碎石，褥垫层碎石层要求级配良好。

4.2 复合地基承载力验算

根据《建筑地基处理技术规范》，增强体单桩竖向承载力特征值计算分析如下:

按地勘 告桩侧阻力特征值qsi及对应土层厚度li值:淤泥质土侧阻力特征值10kPa考虑5m厚，粉质粘土侧阻力特征值30kPa考虑1.5m厚，中粗砂侧阻力标准值42.5kPa考虑2.5m厚，强风化桩端阻力特征值qp为3400kPa，桩端端阻力发挥系数α取0.75。

单桩承载力Ra=∑up×qsi×li+α×qp×Ap=573kN<桩自身承载力特征值，取Ra=573kN。

式中:up为桩的周长;Ap为桩截面积。

单根桩分担的处理地基面积的等效圆直径de=1.05s=2.625m。面积置换率m=d2/de2=0.0232。

式中:d为桩基直径;s为桩基布置间距。

单桩承载力发挥系数λ取1.0，桩间土承载力发挥系数β取0.4，处理后桩间土承载力特征值fsk取60kPa。

复合地基的承载力特征值Fspk=λ×m×Ra/Ap+β×(1-m)×fsk=129.4kPa>120kPa，满足箱涵地基承载力要求。

4.3 复合地基现场施工

管桩可采用锤击法打入或静压法施工，施工机械及沉桩工艺按照相关管桩技术要求及标准实施，沉桩过程中桩身垂直度偏差不得超过0.5%;管桩施工前要先进行试桩，并进行单桩承载力试验，设计单桩承载力不小于573kN，满足要求后方可进行管桩施工，并进行成桩质量检测。

现场劲性体管桩采用了锤击法打入施工。劲性体管桩采用预制成品，现场锤击打入，整体施工速度较快，但施工过程中锤击产生的地面振动较大。箱涵与现状一处污水管道之间的位置较近，施工时采用了挖隔振沟的方式减小锤击振动对于管线的影响，确保施工过程中管线的安全。

5 结论

(1)本工程新建跨河桥涵受制于现状道路标高和设计洪水位的限制，采用了多孔小跨径整体钢筋混凝土箱涵结构，结构整体性好、板厚度较薄，同时结构对基底承载力要求较低，方案具备一定优势和参考价值。

(2)箱涵采用有限元软件进行整体计算分析，并分别按照车道荷载和车辆荷载加载，本工程计算中车辆荷载的加载起控制作用。

(3)对于较厚的淤泥质软土地基，采用劲性体管桩的复合地基方案，方案总体施工简便、开挖深度小，满足了箱涵承载力要求。但应注意施工期间对于既有构筑物、管线的扰动及保护问题。

参考文献

[1] 肖骁．预制装配式箱涵数值模拟研究[J]．北方交通，2021(6):24-27.

[2] 中华人民共和国交通运输部．公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范:JTG 3362-2018[S]．北京:人民交通出版 股份有限公司，2018.

[3] 李立红．换填法在涵洞软土地基施工中的应用[J]．西部交通科技，2014(4):30-33.