排桩式桥台设计及工程应用

李松柏

(中冶京诚工程技术有限公司 广州市 510308)

0 引言

桥梁常用的桥台型式有重力式桥台、轻型桥台等(如薄壁桥台、肋板台、桩柱式桥台、座板式桥台)[1]，这些型式的桥台都采用顺作法施工，即先开挖土方、基坑，再施工墩台结构。在桥台周边有须保护的建筑物、地下管线，或允许施工的场地较小，或开挖河岸护岸较困难等情况时，顺作法桥台由于须开挖深、大基坑，会存在施工风险大、工期长、影响范围大、造价高等弊病。因此设计一种不需要大开挖、施工影响小、施工风险小、工期短、造价较低的桥台型式显得十分有意义，具有较大的适用性与经济性，近些年来，有部分学者对此做了一些相似的研究，比如何成茂等[2]提出了一种桩板式桥台的构造及设计计算方法；杨宏量等[3]提出了一种钢筋混凝土连续墙式桥台的施工；张大伟[4]在某高速公路改扩建项目中运用了一种和本文类似的桥台结构，着重分析了上部结构与桥台的连接方式问题；吴建成[5]介绍了密桩结构在护岸工程中的应用；高洪如等[6]参照工程实例，对比了密桩桥台与薄壁轻型桥台的受力异同[2]。本文着重从排桩式桥台的构造、承受荷载、边界条件、模型计算等方面对排桩式桥台做详细分析论述，并将其运用在具体工程项目中，发挥了这种新型桥台结构形式的优势，取得了较好的工程应用效果。

1 排桩式桥台的构造

排桩式桥台主要由钢筋混凝土台帽、桥台背墙、密排桩、台后填土组成，台帽、背墙、台后填土与一般常用的桥台构造一致，主要区别为密排桩，密排桩按作用分为挡土桩及承压挡土桩。密排桩采用钻孔灌注桩，桩间距可根据台后土的性质确定，也可采用咬合桩，即桩与桩之间相互咬合叠加。排桩式桥台一般构造见图1、图2、图3。

图1 密排桩桥台立面图

图2 密排桩桥台平面图

图3 密排桩桥台剖面图

2 排桩式桥台的计算

2.1 荷载组合

密排桩桥台的最不利荷载组合为：桥跨结构、桥台和台后破坏棱体上部布置汽车荷载，并且由于温度下降、支座摩阻力F和制动力T均指向桥跨[2]，如图4。

图4 密排桩桥台计算图

2.2 桥台盖梁与背墙设计及计算

桥台背墙与一般桥台计算相同，此处不赘述。桥台盖梁按桩接柱盖梁计算，所受外荷载包括上部结构恒载、自重和汽车活载。盖梁内力按连续梁计算，应计入上部结构纵向水平力和活载偏心产生的扭矩，选取支点和跨中截面为计算控制截面。盖梁计算一般不考虑桥台背墙的影响，若挡土桩为摩擦桩，则不考虑挡土桩对盖梁的支承作用。

2.3 密排桩设计及计算

密排桩按基坑支护挡土结构考虑，上面由桥跨结构与桥台背墙支顶，可简化为一定刚度的弹簧支承。下面由土弹簧支顶，按偏心受压构件设计。桩后作用荷载为桩基中心间距范围的土压力，按主动土压力计算并近似按线性分布考虑。

2.3.1水土压力计算

(1)对地下水位以上或水土合算的土层：

式中：Pak—排桩外侧，第i层土中计算点的主动土压力强度标准值(kPa)；

σak—排桩外侧计算点的土中竖向应力标准值(kPa)，包括自重和附加荷载产生的竖向总应力；

Ka,i—第i层土的主动土压力系数；

ci、φi—第i层土的粘聚力(kPa)、内摩擦角(°)。

(2)对于水土分算的土层

式中：ua—密排桩外侧计算点的水压力(kPa)。

2.3.2弹簧弹力系数计算

(1)上部结构简化弹性支承刚度系数

式中：kR—计算宽度内弹性支承刚度系数(kN/m)；

λ—支撑不动点调整系数，0.5～1，根据桥台两侧台背土体土性、深度、周边荷载等条件确定；

αR—支撑松弛系数，对钢筋混凝土，取1.0；

E—支撑材料的弹性模量(kPa)；

A—支撑截面面积(m2)；

l0—受压支撑构件的长度(m)；

s—支撑水平间距(m)。

(2)土弹簧水平反力系数

土弹簧按只受压考虑，土的水平反力系数可按下式计算：

ks=m(z-h)

式中：m—土的水平反力系数的比例系数(kN/m4)；

z—计算点距地面的深度(m)；

h—计算工况下的基坑开挖深度(m)；

υb—挡土构件在坑底处的水平位移量(mm)，当此处的水平位移不大于10mm时，可取10mm。

单层土m值也可以用查表方法，多层土须对m值进行换算，具体见《公路桥涵地基与基础设计规范》D63-2007[7]，本文中不再赘述。

2.3.3密排桩强度计算要点

密排桩强度按承载能力极限状态与正常使用极限状态偏心受压构件分别计算，其正截面抗压承载力计算应符合《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[8]5.3.8条。正常使用极限状态验算时，须按6.4.3条进行裂缝宽度验算。其最大裂缝宽度限值根据环境类别，按规范表6.4.2取值，最大不超过0.2mm。

2.3.4密排桩桥台稳定性计算

密排桩须按《建筑基坑支护技术规程》JGJ 120-2012[9]计算嵌固深度稳定性、整体滑动稳定性、抗隆起稳定性验算。考虑桥梁结构的重要等级，其中嵌固稳定安全等级采用一级，安全系数取1.25。整体稳定性验算中安全等级采用一级，安全系数取1.35。抗隆起安全等级采用一级，安全系数取1.8，当底面以下有软弱下卧层时，抗隆起稳定性的验算部位应包括软弱下卧层。除满足以上稳定性计算要求之外，桥台密排桩桩长不小于1.3h，嵌固深度不小于0.3h，其中h为桩基出露河床的长度。

3 工程应用

广东省东莞市某镇区内某桥梁加固工程,老桥由左中右三幅相互分离的桥组成，根据检测资料，中幅桥9m宽须拆除重建，左、右幅桥可维修加固处理。设计首先对中幅桥采用的桥台为常规的顺作法一字式桥台，桩基础。

施工进场后，按设计图施工须开挖桥台基坑约8m，且须进行河中围堰后才能施工桥台承台基础，此处由于处于镇区内，中幅施工过程中，左右幅交通不能中断，施工风险极大，且施工期预计最快仍须11个月，整个桥造价约94万元。后将桥台优化变更为密排桩桥台，排桩中有2根采用嵌岩桩，其他均采用短桩挡土桩，施工时，在不开挖基坑情况下先施工桩基础，再开挖约2m基坑至桥台盖梁底施工盖梁，可取消河中围堰，盖梁施工完成之后就可进行架梁及台后回填工作，缩短整个工期约3个月，减少约27%。桥台造价减少约18万，减少幅度约20%，关键减少了施工过程中的不确定性风险且更加环保。项目顺利按时完工，得到业主的肯定。

4 结论

综上所述，在某些场地条件下，排桩式桥台能弥补传统桥台开挖影响范围大、施工工期长、工序复杂、造价高等缺点。能避免桥台施工过程中开挖深、大深基坑；能减少台后回填土石方工程量；能减少桥台施工对现有建筑物、交通、管线、河道的影响；能减少桥台施工过程的风险与施工工期；方案更加环保，具有显著的经济效益和社会效益，值得在类似项目中推广运用。