軟土地區的橋涵設計

[關鍵詞] 軟基 橋梁 設計

公路穿越軟土地區是經常發生的事情。本文是其在橋梁設計方面所要注意的問題提出一些見解，供廣大橋梁工作者參考，并在實際工作中得到應用。因為設計工作中的細小疏溜，往往會給建筑物的正常使用留下隱患，旦發生問題再進行處理，便直接造成經濟損失和社會形象的負面影響。

1．軟土地區的橋涵常見病害

公路橋涵設計規范中對橋梁的墩臺沉降和位移的容許極限值（cm），作了明確的規定。

（1）簡支梁橋：

①墩臺均勻總沉降值（有包括365JT施工中的沉降）2.0。

②相鄰墩臺均勻總沉降差值（有包括施工中的沉降）1.0。

③墩臺頂面水平位移值0.5。

（）拱橋墩臺的沉降和位移的容許值由計算決定。

其中L為相鄰墩臺間最小跨徑長度，以m計；跨徑小于25m時仍以25m計算。對于一般橋梁來說，跨徑均在30m以下，因而三項的限值分別為11cm、6cm、3cm。軟土地基由于在荷載作用下的排水固結，隨著空隙水的逐步排出，地基土的體積相應減小和壓縮，從而引起沉降，若有偏壓荷載，還必將產生傾斜或側移，其數值遠遠超過以上數字，所以軟土地基如果不進行處理，是絕對滿足不了規范對橋涵設計的要求的。墩臺的設計除了要計算沉降之外，還應進行橋臺與路堤一并沿滑動弧面滑動的深層滑動驗算，以求得橋臺總體的穩定性。

對于橋墩主要是考慮沉降問題。對于橋臺，由于臺后填土一般都在5m以上，因而除了沉降之外，還有偏壓荷載，使軟弱土層產生塑性流變，橋臺跟關傾斜或側移，結果將使橋梁脫離支承，伸縮裝置損壞，預留伸縮間隙不足，甚至上部構造頂緊臺背，使梁產生壓曲。如廣東省就有多座公路橋梁，因橋基地層有較厚的軟土層，橋臺設計為肋式埋置橋臺，鉆孔灌注樁基礎，基樁按磨擦樁或嵌巖樁設計，于施工完成時即發生臺帽下肋身斷裂，分析其原因是軟基處理和預壓的時間不夠，先期沉降未完成，橋臺和上部構造已造建成，由于下面軟土層發生流變引起橋臺變位，而上部構造為鋼筋混凝土空心板或鋼筋混凝土簡支T形梁，并做成橋面連續。橋臺上的橡膠支座產生最大剪切變形，影響邊跨他端橋墩上的橡膠支座向相反方向變形。而臺肋僅在上、下聯接處設置有短鋼筋，臺身的抗彎剛度和抗剪強度不夠，致使薄弱處產生斷裂。對一起拱橋來說，一旦其沉降和位移值超過計算控制值，往往使拱腳和拱頂的彎矩值超標，產生裂縫甚至引起橋梁坍塌。而涵洞則發生沉陷或扭曲變形，影響正常的排水功能，甚至報廢。

2．軟土地區的橋梁勘測

軟土地區的橋梁勘測工作，除了按一般地區的方法進行水文和地質的勘測之外，還要特別注意地基土的試驗研究工作，一是要注意軟弱地層的塑性流變。在野外測量調查時，根據地形地貌特征，如：是否有地下水滲流、沼澤地泥潭等進行判別，特別是對沿海地區圍海（河）造地范圍，上層為2—5米的人工填土，下層均有不同程度的軟弱層埋置，須進行仔細調查，布置地質鉆孔，探明各層的深度和厚度，并取樣和做實驗，判明其是否為軟土，有無受震液化可能，含水、壓縮性如何，然后再判定其對墩臺的穩定性影響，對于軟土地區橋涵地其的土質調查：

（1）要判定其是否為軟土。所謂軟土它是軟弱粘性土的簡稱，是第四紀后期形成的海相、泄湖相、三角洲相、溺谷相和湖沼相的粘性土沉積物或河流沖積物，有的屬于新近瘀積物。其中最為軟弱的是淤泥和淤泥和淤泥質土。這類土的特點是天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪強度低、壓縮系數高、滲透系數小。在荷載作用上，軟粘土地基承載能力低，地基沉降變形大，不均勻沉降也大，而且沉降穩定歷時比較長。在比較深厚的軟粘土層上，結構物基礎的沉降往往持續數年乃至數十年之久。軟粘土地基是工程實踐中遇到最多而需要進行人工處理的地基，它廣泛地分布在我國東南沿海及內地。軟土的主要判定指標如表1。

表 1

指標

土名

天暖含水量W（%）

孔隙比e

壓縮

系數

al-2

（Mpa-1）

飽和度Sr

（%）

有機質含量

（%）

滲透

系數

K

（m/s）

快 剪

內磨

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）要判別其是否為可液化土。可液化土的含義為：飽和砂或粒徑大于0.05mm的顆粒總重量占40%以上的飽和輕亞粘土，應經試驗鑒定其在地震時能否液化。

軟弱土層在地震進能否液化，用標準貫入試驗進行鑒定。具體判定標準參照《公路工程抗震設計規范》；若為液化土層，須對有關土層的設計參數進行修正。

（3）合理計算土層的沉降量。地基沉降的計算包括兩方面內容：一是最終沉降量；二是沉降的時間過程。人們提出了多種計算最終沉降量的方法，但對工程實際應用較多的是分層計算總和法和彈性理論法，以這兩種方法為基礎進行計算，并參照相關工程的實際經驗數值進行修正。

3．軟土地區函洞的設計

軟土地區涵洞的設計主要注意以下幾點：

一是地基必須與路基的軟基處理一并考慮，并在涵洞區段內，排水固結處理措施要適當加密，預壓排水固結時需設臨時管道過水，涵洞正式施工時拆除。砂墊層必須與路基砂墊層連通，以形成通暢的排不通道。二是涵洞孔徑可適當加大，給使用功能留有余地。三是構造物要采用整體性強，自重輕，剛度大，基底承載力要求低（如不大于8Mpa）的鋼筋混凝土箱形結構。四是涵洞的施工必須地軟基處理的先期沉降完成之后進行，施工時要預留沉降量（如10cm）橫向按H/50預留上拱（H為填土厚度），以免產生沉降后砂墊層發生不連續而造成排水通路不流暢現象。

4．軟土地區橋臺的設計和防止橋臺側向移動的措施

軟土地我橋臺的設計，應考慮以下一些問題：

（1）在橋臺設計中加強自身的穩定性，這主要是加強臺身及基礎的剛度，以增強抗水平推力的能力。

①在設計中采用群樁基礎避免采用單排樁，以雙排樁或多排樁來共同承擔由于引道填土或臺前臺后不均勻下沉而對基樁產生的彎矩和剪力。

②采用斜樁基礎。所謂的斜樁基礎實則為豎直樁與斜樁的混合樁基以豎直樁承擔橋臺的設計荷載，另在臺前加設一定傾斜角度的斜樁來抵抗由于橋頭填土和軟基下沉變形而產生的水平推力，斜樁較豎直樁在施工上有一定的難度，但在國仙的工程實踐中已多次采用。

③合理安排伸縮縫位置。對于多跨（一般＞8跨）橋梁，可在相鄰橋臺的一跨采用伸縮縫，并設置四氟板支座，以利橋臺及上部位稱變形。另外，對于薄壁橋臺的壁厚取值須比標準圖適當加大，避免臺壁出現裂縫。

（2）要采取減輕臺后荷載和均衡壓重的措施。

減輕臺后荷載的辦法有：

①布置橋孔時有意識地將橋臺后移，使臺后路堤成為低填土式的。

②采用溜坡埋置式橋臺（錐坡坡腳處設置反壓護道）、箱形橋臺和臺后設置跳板，減輕橋治的偏壓荷載。

③臺后填土采用輕質材料或在填土內埋設波紋鐵管、鋼筋混凝土圓管等，既減輕臺背填土重量，又增強臺背填土的穩定，能收到良好的效果。

④加大錐體護坡范圍并以重力式擋墻作錐體護坡的坡腳基礎，以大錐體填土來平衡臺背引道填土壓力并達到以臺前臺后軟基均勻下沉之目的，起到保護橋臺整體結構的作用。

（3）橋臺軟基處理的方法

在討論方法的選用原則及處理前后注意的事項之前，首先討論恰當的地基處理方法設計順序。

地基處理方法的設計結構建議按圖1所示的順序進行。首先根據建筑物對地基的各種要求和地基條件確定需要進行人工處理的天然地層地范圍以及地基處理要求。其次，根據天然地層的條件、地基處理的具體要求、地基處理方法的原理、過去應用的經驗和機具設備、材料條件，進行地基處理方案可行性研究，提出多種可行方案。最后，對提出的各種方案進行365JT技術、經濟、進度等方面的比較分析，考慮環保要求，確定采用一種或幾種地基處理方法。初步確定地基處理方法。初步確定地基處理方案后，可視需要進行小型現場試驗或進行補充調查，然后進行施工設計。實踐表明這是比較恰當的地基處理方法設計順序。

軟基處理是提高地基承載力和防止橋臺側向移動的主要措施，目前公路橋梁中常用和行之有效的方法有：

①排水固結法

排水固結法的原理的軟土地基在荷載作用下，土中孔隙水慢慢排出，空隙比減小，地基發生固結變形，同時隨著超靜水壓力逐漸消散，土的有效應力增大，地基土的強度逐步增長。

建筑物對地基要求職

固結法常用于解決軟粘土地基的沉降和穩定問題，可使地基的沉銜在加載預壓期間基本完成或大部分完成，使建筑物在使用期間不致產生過大的沉降和沉降差。同時可增加地基土的抗剪強度，從而提高地基的承載力的穩定性。

排水固結法是由排水系統和加壓系統兩部分組合而成的，排水系統可在天然地基中設置豎向排水體（如普通砂井、代裝砂井、塑料排水板等），以及利用天然地基土層本身的透水性。加壓系統有堆載法、真空法、降低地下水位法、電參法有及聯合法。

②振密、擠密法

振密、擠密法的原理是采用一定的手段，通過振動，擠壓使地基土體孔隙減小，強度提高，達到地基處理的目的。如：表層壓實法、強夯法、振沖擠密法等等。

③置換及拌入法

以砂碎石等材料置換軟弱土體，形成復合地基，或在軟弱地基中部分土體內摻入水泥、水泥砂漿，以及石灰等物，形成固體，與未加固部分形成復合地基，達到提高地基承載力，減小壓縮量的目的。如：墊層法、開挖置換法、碎石樁法、高壓噴射注漿法、深層攪拌法、石灰樁法。

④加筋法

通過在土層中埋設強度較大的土工聚合物、拉筋、受力構件等達到提高地在承載力，減小沉降，或維持建筑物穩定的地基處理方法稱為加筋法。如：土工聚合物、加筋土等。

至于采用何種方法須根據工程規模、施工場地、工期要求、路面結構等，合理先取，另外，在大型工程中常常將預制場設在橋頭填方位置，既起堆載預村地基的作用，又作上部結構制作工場，合理利用資源，節約造價。

5．橋臺施工過程中應注意的問題

地基處理大都是隱蔽工程，而且大部分地基處理方法的加固效果并不是施工結束后就能充分體現，需待使用一段時間后才能逐步顯示其是否達到以如期效果，所以一個成功工程必須在各個施工環節中把握質量關，并合理安排施工程序和加強檢測監步，才能得以保證。故在施工中要特別注意以下幾個問題：

（1）軟土處理中，應進行填土沉降和側移的觀測，一般應待其先期沉降量完成之后，再進行橋臺的施工。若要同時進行，橋臺必須作出特殊的設計，以策安全。

（2）要實行臺背填土緩速施工，并隨進觀測橋臺有無位移和變形。

（3）要采取適當的施工程序，即在建筑橋臺之前，將臺后填土以外的填土先行逐層夯實，待橋臺結構建成后再進行臺后填土，須逐層夯填密實。

（4）臺背與臺前的填土，宜同時逐層夯填密實。

（5）做好資料的整理記錄，并總結施工經驗，為以后處理相關工程提供借鑒。