摘要：本文以软弱地基内的钢筋混凝土拱桥设计为例，采用轻质泡沫混凝土作为拱上填料从而减小上部结构自重，并选择台后设置挡墙的方式平衡水平推力，同时采取相应的软基处理措施，以供类似工程参考。
关键词：软弱地基；拱桥；地基处理；轻质填料
0、引言
在许多中小跨径景观桥梁设计中，钢筋混凝土拱桥常以其造型优美、养护维护费用少等优点而备受青睐。但此类桥梁一般自重大、水平推力大，对桥位处的地质要求较高。
软土造成的病害主要有两种：高压缩性导致的沉降和流塑特性产生的水平位移。工程师在设计时通常比较重视沉降问题，其沉降对桥梁结构的危害相对较小；而往往忽视类似淤泥的软土的流塑特性，尤其是台后路基填土或河道开挖引起淤泥土层的水平位移，很容易造成地基失稳，从而影响桥梁结构安全。
因此在软弱地基上修建拱桥，需合理选择平衡拱桥水平力的方式和重视软基加固处理，控制好墩台的变形及整体的稳定性，以保证拱桥的安全。
1、项目概况
晋江市虺湖水闸拱桥位于虺湖水闸下游，本桥梁为空腹式拱桥全长36.8m，桥宽8.5m。桥位处规划河道宽为36.2m。
桥梁上部结构采用空腹式拱桥，主拱圈为无铰拱，全桥共设四个腹拱，拱轴线均为圆弧线，主拱跨径24.0m，矢高5.82m，矢跨比为1：4.12，副拱一跨径3.85m，矢高1.925m，矢跨比为1：2，副拱二跨径3.55m，矢高1.775m，矢跨比为1：2。主拱圈为0.6m厚的钢筋混凝土矩形截面，两侧副拱圈均为0.25m厚的钢筋混凝土矩形截面。拱桥侧面及拱圈表面采用石材装修。两侧台后各设置13m止推挡墙。
桥梁下部结构采用承台桩基础，桩基础采用直径1m的钻孔灌注桩，三排桩。桩基设计长度14m左右，入弱风化花岗岩约2.5m，基岩上方均处于淤泥层。
桥梁总宽8.5m，横断面布置：1.5m（人行道）+5.5m（机非混行车道）+1.5m（人行道）。
图1桥型布置图（单位：cm）
图2 桥型横断面图（单位：cm）
2、地质条件
根据钻探揭露，在勘探深度范围内，场地内自上而下主要分布第四系全新统人工堆积及第四系全新统冲洪积，海积、坡积层，下伏不同风化程度的燕山早期侵入黑云母花岗岩，各岩土层从上往下土层依次为：耕植土①厚度、杂填土②厚度、素填土②1、细砂③1、中砂③2、淤泥③3、细砂④、中砂⑤、粘土⑦、全风化花岗岩⑧、强风化花岗岩⑨、弱风化花岗岩⑩。其中场地覆盖层含有较厚的淤泥土层。
3、设计要点及计算结果
3.1.1计算模型
采用midas Civil 2018空间空间有限元软件进行全桥结构分析。
3.1.2主要计算参数
（1）拱圈采用C40混凝土，承台、基础采用C30混凝土。
（2）桥梁结构设计基准期：100年；桥梁设计安全等级：二级；环境类别：I类。
3.1.3主要荷载
（1）恒载
混凝土结构自重26KN/m3；泡沫混凝土自重8KN/m3；
二期恒载：桥面铺装、人行道、栏杆、拱圈外包装修石等实际尺寸计算。
（2）基础变位：桥台按不均匀沉降10mm计。
（3）活载：汽车荷载：城-B级，人群活载3.5KN/m2计。
（4）温度：整体升温20℃，整体降温20℃，考虑折减系数0.7。
（5）混凝土收缩内力按降温15°C考虑，考虑折减系数0.45。
暂不考虑其他平衡水平推力的方法，按桩接承台建立全桥模型，其中按照公路桥涵地基及基础设计规范中的m法模拟桩土效应，本工程淤泥层地基比例系数m=3000KN/m4考虑。
图3 全桥模型
表1 计算结果
可知，采用轻质材料作为拱上填料可减小水平推力。无论填筑何种材料，在软弱地基中的桩顶的水平位移均大于6mm；从而导致主跨跨中竖向位移变形较大，改变了拱圈的拱轴线形态。因此在软弱地基内需考虑增加抗水平推力方法以控制好墩台的变形。
4、平衡水平推力方法的选择
平衡水平推力有台后设置止推板、台后挡墙、桥台间设置预应力系梁、地基处理等方法。
其中止推板和台后挡墙的作用是一致的，止推板通过基底摩擦力来平衡水平推力，挡墙除了基底摩擦力，还有侧面摩擦力以及端面主动土压力。
桥台间设置预应力系杆，通过预应力平衡水平推力。需考虑预应力筋及锚具的防水措施。
地基处理可以通过改善土体的工程特性，提高水平抗力系数m值，但须实验确定，且取值离散型也较大。在工程设计阶段无法得知确切的计算输入条件，一般地基处理作为一种加固储备措施考虑。
对于本工程空腹式上承拱桥，综合考虑堤顶道路的设计，选择台后设置挡墙方案，通过挡墙基础底面的摩擦力平衡拱桥的水平推力。挡墙与桥台竖向分离，但挡墙基础与拱桥台座贴合，以便发挥抗推作用，减小承台的水平位移。
5、水平抗力计算
本工程台后设置13m挡墙，挡墙及基础、回填土总重13000KN，挡墙基底摩擦系数取值0.4，单侧基底提供的滑动摩擦力5020KN。不考虑桩基本身承担
的水平推力，单侧提供的滑动摩擦力大于模型1的最不利的水平推力。故设置挡墙能提供有效的水平抗力。
6、基础处理
本工程范围内存在较厚的淤泥层约10m，该土层具有含水量高（天然含水量60.9%）、抗剪强度低、压缩形变量大、流塑特性强等特点。为了提高桥梁、挡墙基础结构的抗推能力及稳定度，减小桥梁与台后挡墙后期沉降差。
（1）优先采用真空预压对桥梁及挡墙结构平面范围内进行地基处理，采用塑料排水板，间距0.8m矩形布置；
（2）再采用高压旋喷桩加固，桩径0.8m，桩间距2m矩形布置；
（3）桩顶设置1m厚碎石垫层，加强桩顶抗侧刚度。
经过真空预压及高压旋喷桩处理，可有效改善地基土的工程特性，进而提高基础的抗水平推力的能力。
7、结构验算
通过台后设置挡墙、地基处理之后，满足桥台固接的基本假设，结构验算考虑主拱圈拱脚水平和竖直3mm沉降工况。拱圈强度、裂缝均满足规范要求。
结论
软基上修建拱桥宜因地制宜选择有效的方法平衡水平推力。
拱上填料采用轻质泡沫混凝土，填筑密实、抗压强度高、整体性好、自重轻、抗震性能好，可较大程度的减小了拱桥的水平推力。
通过真空预压、高压旋喷桩加固形成的复合地基固结强度高，改善了土体的工程特性，同时加强桩顶垫层抗侧刚度，可有效提高桥台基础的抗水平推力的能力。
参考文献：
[1]公路桥涵设计通用规范[S].JTG D60-2015
[2]公路圬工桥涵设计规范[S].JTG D61-2005
[3]公路桥涵地基与基础设计规范[S].JTG D63-2007
论文作者:孙虎1,王全发2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第31期
论文发表时间:2018/12/17
标签：挡墙论文; 拱桥论文; 地基论文; 推力论文; 水平论文; 拱圈论文; 桥梁论文; 《基层建设》2018年第31期论文;