[转贴]：软土地区的桥涵设计

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[摘要] 本文简要叙述了软土地基桥涵设计的有关注意事项和桥台软基处理方法。
[关键词] 软基 桥梁 设计

公路穿越软土地区是经常发生的事情。本文是其在桥梁设计方面所要注意的问题提出一些见解，供广大桥梁工作者参考，并在实际工作中得到应用。因为设计工作中的细小疏溜，往往会给建筑物的正常使用留下隐患，旦发生问题再进行处理，便直接造成经济损失和社会形象的负面影响。

1．软土地区的桥涵常见病害

公路桥涵设计规范中对桥梁的墩台沉降和位移的容许极限值（cm），作了明确的规定。
（1）简支梁桥：
①墩台均匀总沉降值（有包括施工中的沉降）2.0。
②相邻墩台均匀总沉降差值（有包括施工中的沉降）1.0。
③墩台顶面水平位移值0.5。
（2）拱桥墩台的沉降和位移的容许值由计算决定。

其中L为相邻墩台间最小跨径长度，以m计；跨径小于25m时仍以25m计算。对于一般桥梁来说，跨径均在30m以下，因而三项的限值分别为11cm、6cm、3cm。软土地基由于在荷载作用下的排水固结，随着空隙水的逐步排出，地基土的体积相应减小和压缩，从而引起沉降，若有偏压荷载，还必将产生倾斜或侧移，其数值远远超过以上数字，所以软土地基如果不进行处理，是绝对满足不了规范对桥涵设计的要求的。墩台的设计除了要计算沉降之外，还应进行桥台与路堤一并沿滑动弧面滑动的深层滑动验算，以求得桥台总体的稳定性。
对于桥墩主要是考虑沉降问题。对于桥台，由于台后填土一般都在5m以上，因而除了沉降之外，还有偏压荷载，使软弱土层产生塑性流变，桥台跟关倾斜或侧移，结果将使桥梁脱离支承，伸缩装置损坏，预留伸缩间隙不足，甚至上部构造顶紧台背，使梁产生压曲。如广东省就有多座公路桥梁，因桥基地层有较厚的软土层，桥台设计为肋式埋置桥台，钻孔灌注桩基础，基桩按磨擦桩或嵌岩桩设计，于施工完成时即发生台帽下肋身断裂，分析其原因是软基处理和预压的时间不够，先期沉降未完成，桥台和上部构造已造建成，由于下面软土层发生流变引起桥台变位，而上部构造为钢筋混凝土空心板或钢筋混凝土简支T形梁，并做成桥面连续。桥台上的橡胶支座产生最大剪切变形，影响边跨他端桥墩上的橡胶支座向相反方向变形。而台肋仅在上、下联接处设置有短钢筋，台身的抗弯刚度和抗剪强度不够，致使薄弱处产生断裂。对一起拱桥来说，一旦其沉降和位移值超过计算控制值，往往使拱脚和拱顶的弯矩值超标，产生裂缝甚至引起桥梁坍塌。而涵洞则发生沉陷或扭曲变形，影响正常的排水功能，甚至报废。

2．软土地区的桥梁勘测

软土地区的桥梁勘测工作，除了按一般地区的方法进行水文和地质的勘测之外，还要特别注意地基土的试验研究工作，一是要注意软弱地层的塑性流变。在野外测量调查时，根据地形地貌特征，如：是否有地下水渗流、沼泽地泥潭等进行判别，特别是对沿海地区围海（河）造地范围，上层为2—5米的人工填土，下层均有不同程度的软弱层埋置，须进行仔细调查，布置地质钻孔，探明各层的深度和厚度，并取样和做实验，判明其是否为软土，有无受震液化可能，含水、压缩性如何，然后再判定其对墩台的稳定性影响，对于软土地区桥涵地其的土质调查：
（1）要判定其是否为软土。所谓软土它是软弱粘性土的简称，是第四纪后期形成的海相、泄湖相、三角洲相、溺谷相和湖沼相的粘性土沉积物或河流冲积物，有的属于新近瘀积物。其中最为软弱的是淤泥和淤泥和淤泥质土。这类土的特点是天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪强度低、压缩系数高、渗透系数小。在荷载作用上，软粘土地基承载能力低，地基沉降变形大，不均匀沉降也大，而且沉降稳定历时比较长。在比较深厚的软粘土层上，结构物基础的沉降往往持续数年乃至数十年之久。软粘土地基是工程实践中遇到最多而需要进行人工处理的地基，它广泛地分布在我国东南沿海及内地。软土的主要判定指标如表1。

表 1

指标
土名 天暖含水量W（%） 孔隙比e 压缩系数al-2（Mpa-1） 饱和度Sr（%） 有机质含量（%） 渗透系数（m/s） 快 剪
内磨察角（度） 粘聚力C（kpa）
淤泥 ＞50 ＞1.1 ＞0.55 ＞96 ＞10 ＞10-8 ＞5 ＞10
粘性土 ＞40 ＞1.0 ＞0.5 ＞95 ＞10 ＞5×10-8 ＞5 ＞20
砂性土 ＞30 ＞0.8 ＞0.35 ＞93 ＞10 ＞5×10-6 ＞16 ＞12

（2）要判别其是否为可液化土。可液化土的含义为：饱和砂或粒径大于0.05mm的颗粒总重量占40%以上的饱和轻亚粘土，应经试验鉴定其在地震时能否液化。
软弱土层在地震进能否液化，用标准贯入试验进行鉴定。具体判定标准参照《公路工程抗震设计规范》；若为液化土层，须对有关土层的设计参数进行修正。
（3）合理计算土层的沉降量。地基沉降的计算包括两方面内容：一是最终沉降量；二是沉降的时间过程。人们提出了多种计算最终沉降量的方法，但对工程实际应用较多的是分层计算总和法和弹性理论法，以这两种方法为基础进行计算，并参照相关工程的实际经验数值进行修正。

3．软土地区涵洞的设计

软土地区涵洞的设计主要注意以下几点：
一是地基必须与路基的软基处理一并考虑，并在涵洞区段内，排水固结处理措施要适当加密，预压排水固结时需设临时管道过水，涵洞正式施工时拆除。砂垫层必须与路基砂垫层连通，以形成通畅的排不通道。二是涵洞孔径可适当加大，给使用功能留有余地。三是构造物要采用整体性强，自重轻，刚度大，基底承载力要求低（如不大于8Mpa）的钢筋混凝土箱形结构。四是涵洞的施工必须地软基处理的先期沉降完成之后进行，施工时要预留沉降量（如10cm）横向按H/50预留上拱（H为填土厚度），以免产生沉降后砂垫层发生不连续而造成排水通路不流畅现象。

4．软土地区桥台的设计和防止桥台侧向移动的措施

软土地区桥台的设计，应考虑以下一些问题：
（1）在桥台设计中加强自身的稳定性，这主要是加强台身及基础的刚度，以增强抗水平推力的能力。
①在设计中采用群桩基础避免采用单排桩，以双排桩或多排桩来共同承担由于引道填土或台前台后不均匀下沉而对基桩产生的弯矩和剪力。
②采用斜桩基础。所谓的斜桩基础实则为竖直桩与斜桩的混合桩基以竖直桩承担桥台的设计荷载，另在台前加设一定倾斜角度的斜桩来抵抗由于桥头填土和软基下沉变形而产生的水平推力，斜桩较竖直桩在施工上有一定的难度，但在国仙的工程实践中已多次采用。
③合理安排伸缩缝位置。对于多跨（一般＞8跨）桥梁，可在相邻桥台的一跨采用伸缩缝，并设置四氟板支座，以利桥台及上部位称变形。另外，对于薄壁桥台的壁厚取值须比标准图适当加大，避免台壁出现裂缝。
（2）要采取减轻台后荷载和均衡压重的措施。
减轻台后荷载的办法有：
①布置桥孔时有意识地将桥台后移，使台后路堤成为低填土式的。
②采用溜坡埋置式桥台（锥坡坡脚处设置反压护道）、箱形桥台和台后设置跳板，减轻桥治的偏压荷载。
③台后填土采用轻质材料或在填土内埋设波纹铁管、钢筋混凝土圆管等，既减轻台背填土重量，又增强台背填土的稳定，能收到良好的效果。
④加大锥体护坡范围并以重力式挡墙作锥体护坡的坡脚基础，以大锥体填土来平衡台背引道填土压力并达到以台前台后软基均匀下沉之目的，起到保护桥台整体结构的作用。
（3）桥台软基处理的方法
在讨论方法的选用原则及处理前后注意的事项之前，首先讨论恰当的地基处理方法设计顺序。
地基处理方法的设计结构建议按图1所示的顺序进行。首先根据建筑物对地基的各种要求和地基条件确定需要进行人工处理的天然地层地范围以及地基处理要求。其次，根据天然地层的条件、地基处理的具体要求、地基处理方法的原理、过去应用的经验和机具设备、材料条件，进行地基处理方案可行性研究，提出多种可行方案。最后，对提出的各种方案进行技术、经济、进度等方面的比较分析，考虑环保要求，确定采用一种或几种地基处理方法。初步确定地基处理方法。初步确定地基处理方案后，可视需要进行小型现场试验或进行补充调查，然后进行施工设计。实践表明这是比较恰当的地基处理方法设计顺序。

软基处理是提高地基承载力和防止桥台侧向移动的主要措施，目前公路桥梁中常用和行之有效的方法有：
①排水固结法
排水固结法的原理的软土地基在荷载作用下，土中孔隙水慢慢排出，空隙比减小，地基发生固结变形，同时随着超静水压力逐渐消散，土的有效应力增大，地基土的强度逐步增长。


图1
排水固结法常用于解决软粘土地基的沉降和稳定问题，可使地基的沉衔在加载预压期间基本完成或大部分完成，使建筑物在使用期间不致产生过大的沉降和沉降差。同时可增加地基土的抗剪强度，从而提高地基的承载力的稳定性。
排水固结法是由排水系统和加压系统两部分组合而成的，排水系统可在天然地基中设置竖向排水体（如普通砂井、代装砂井、塑料排水板等），以及利用天然地基土层本身的透水性。加压系统有堆载法、真空法、降低地下水位法、电参法有及联合法。
②振密、挤密法
振密、挤密法的原理是采用一定的手段，通过振动，挤压使地基土体孔隙减小，强度提高，达到地基处理的目的。如：表层压实法、强夯法、振冲挤密法等等。
③置换及拌入法
以砂碎石等材料置换软弱土体，形成复合地基，或在软弱地基中部分土体内掺入水泥、水泥砂浆，以及石灰等物，形成固体，与未加固部分形成复合地基，达到提高地基承载力，减小压缩量的目的。如：垫层法、开挖置换法、碎石桩法、高压喷射注浆法、深层搅拌法、石灰桩法。
④加筋法
通过在土层中埋设强度较大的土工聚合物、拉筋、受力构件等达到提高地在承载力，减小沉降，或维持建筑物稳定的地基处理方法称为加筋法。如：土工聚合物、加筋土等。
至于采用何种方法须根据工程规模、施工场地、工期要求、路面结构等，合理先取，另外，在大型工程中常常将预制场设在桥头填方位置，既起堆载预村地基的作用，又作上部结构制作工场，合理利用资源，节约造价。

5．桥台施工过程中应注意的问题

地基处理大都是隐蔽工程，而且大部分地基处理方法的加固效果并不是施工结束后就能充分体现，需待使用一段时间后才能逐步显示其是否达到以如期效果，所以一个成功工程必须在各个施工环节中把握质量关，并合理安排施工程序和加强检测监步，才能得以保证。故在施工中要特别注意以下几个问题：
（1）软土处理中，应进行填土沉降和侧移的观测，一般应待其先期沉降量完成之后，再进行桥台的施工。若要同时进行，桥台必须作出特殊的设计，以策安全。
（2）要实行台背填土缓速施工，并随进观测桥台有无位移和变形。
（3）要采取适当的施工程序，即在建筑桥台之前，将台后填土以外的填土先行逐层夯实，待桥台结构建成后再进行台后填土，须逐层夯填密实。
（4）台背与台前的填土，宜同时逐层夯填密实。
（5）做好资料的整理记录，并总结施工经验，为以后处理相关工程提供借鉴。