尚 剛

(安陽西北繞城高速公路有限公司， 河南 安陽 455000)

無橋臺斜腿剛架橋(圖1)是一種結(jié)構(gòu)內(nèi)部整體無縫、不設(shè)支座、經(jīng)濟及便于養(yǎng)護的新橋型[1～5]。該結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的斜腿剛架橋基礎(chǔ)上增設(shè)邊斜腿并取消與路堤銜接的橋臺而形成的，體系上屬于無縫式整體橋梁。主梁與斜腿固結(jié)，類似于多跨連續(xù)梁，端部做成L字形，搭板置于其上，可以做成單跨或多跨結(jié)構(gòu)，具有以下特點：(1)結(jié)構(gòu)內(nèi)部無縫，橋面連續(xù)，行車舒適平穩(wěn)，不設(shè)支座，經(jīng)濟及后期養(yǎng)護方便；(2)橋型結(jié)構(gòu)合理，兼?zhèn)淞号c拱的優(yōu)點而呈現(xiàn)良好的力學(xué)性能，相比傳統(tǒng)斜腿剛架橋，新結(jié)構(gòu)主梁內(nèi)力減小，邊斜腿可較好平衡基礎(chǔ)水平推力；(3)不同地質(zhì)條件下，適應(yīng)性較強。

圖1 無橋臺斜腿剛架橋示意

這種新型結(jié)構(gòu)從二十世紀(jì)90年代初期提出至今，由于其結(jié)構(gòu)內(nèi)部整體無縫、不設(shè)支座、后期養(yǎng)護方便和造價低廉等優(yōu)點，在中小跨度的橋梁中具有非常顯著的優(yōu)勢，得到較快發(fā)展，表現(xiàn)在以下方面：(1)修建數(shù)量不斷增加：已經(jīng)在湖北、江西、河南等省市累計修建300余座[6～8]；(2)單孔跨度：采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單孔最大跨度L(圖1)達到43.2 m，橋長62.6 m(如武漢繞城高速和京珠高速湖北段上多座跨線橋)；采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，單孔最大跨徑L達到56.16 m，斜度30°，橋長80.69 m(如武漢繞城公路黃陂互通主線橋和318國道跨繞城公路橋)。(3)連續(xù)橋長：連續(xù)橋長已達到163 m(如廣東陸河泰安橋)。

相比其它橋型，目前修建數(shù)量雖然相對較少，但近幾年呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢，一方面是其具有的優(yōu)勢逐漸被認(rèn)識接受，另一方面是大量的前期研究為其發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[9～15]。然而，對已建成的無橋臺斜腿剛架橋調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該橋型存在臺后填土沉陷、路基沉降和橋頭脫空等共性病害(圖2)。上述病害導(dǎo)致橋頭跳車現(xiàn)象嚴(yán)重，引發(fā)橋頭與路基相連接處脫空、牛腿破損以及路基沉陷；同時，部分甚至全部土體與邊斜桿分離，無法起到臺后填土對結(jié)構(gòu)的拱式效應(yīng)，進而增加了結(jié)構(gòu)載荷效應(yīng)。不僅影響橋梁正常使用，且危及結(jié)構(gòu)安全。

圖2 臺后填土沉陷

為此，研究基于Drucker-Prager模型，計入靜水壓力對土體粘聚力與內(nèi)摩擦角的影響，考慮土體的多相松散顆粒塑性變形特點，對土體開展蠕變分析，深入研究臺后土體的變形行為。同時，計入土與結(jié)構(gòu)的相互作用，探討臺后土沉陷對結(jié)構(gòu)的影響。最后，結(jié)合工程實踐，提出控制臺后土沉陷的有效措施。

1 回填土沉陷分析

填土在載荷作用下，其沉降主要由瞬時沉降Sd、主固結(jié)沉降Sc(t)和次固結(jié)沉降Ss(t)三個部分組成(圖3)：

S(t)=Sd+Sc(t)+Ss(t)

(1)

圖3 回填土沉降構(gòu)成

以上三部分沉降交錯進行，區(qū)別在于不同階段以某一種沉降為主。當(dāng)然，對于不同的土質(zhì)，三者發(fā)生的時間和大小存在差異。

為分析該橋型臺后回填土及地基土在載荷下的變形行為，研究將基于Drucker-Prager模型和式(2)屈服準(zhǔn)則，并計入土體排水固結(jié)等特性影響，深入研究土體破裂面、沉陷和脫空現(xiàn)象。

(2)

以某三跨20+ 41+ 20 m無橋臺斜腿剛架橋為例，采用擴大基礎(chǔ)，土體從上至下依次為含礫黏土、粉質(zhì)黏土和灰?guī)r，土體參數(shù)如表1。

基于ABAQUS軟件進行結(jié)構(gòu)-土相互作用整體分析，均采用實體單元。數(shù)值分析范圍如下：臺后土體取向外延伸10 m，橫橋向土體寬度取30 m(橋?qū)?8 m)，下層土體邊界距擴大基礎(chǔ)底面25 m，土-結(jié)構(gòu)相互作用模型如圖4。

載荷下橋頭頂面土體沉降時程曲線如圖5。從中可見，時間增量0.19(時間歸一化處理，即以固結(jié)終止時間為1，開始固結(jié)時為0，期間按0～1變化)之前沉降隨時間為線性變化，即在荷載作用之初，土體主要表現(xiàn)為瞬時沉降Sd。當(dāng)時間增量介于0.19～0.8之間時，由于超孔隙水壓力促使水排出，應(yīng)力增量轉(zhuǎn)移到土體骨架上，該階段以主固結(jié)沉降Sc(t)為主，因此變形量迅速增大，土體體積發(fā)生較大的壓縮。之后，沉降時程曲線趨于平緩，原因在于超孔隙水壓力消散以后，有效應(yīng)力變化較小，此時地基土中土粒骨架產(chǎn)生蠕變，以次固結(jié)沉降Ss(t)為主，體積變化較小。隨著時間的增長，橋頭與路基連接處土體豎向位移趨于2.843 cm。

圖4 土-結(jié)構(gòu)相互作用模型

圖5 橋頭土體沉降時程曲線

荷載下土體效應(yīng)如圖6所示。圖6a顯示自重作用下臺后回填土的累積塑性應(yīng)變，由圖可見塑性應(yīng)變從回填土坡腳逐漸向坡頂延伸，并從坡腳開始與邊斜桿大致平行的方向向上形成滑動面。圖6b所反映的土體等效應(yīng)力表明，擴大基礎(chǔ)周邊及往下一定深度區(qū)域存在一個較高應(yīng)力度的地基失效“潛伏區(qū)”。

圖6c顯示邊斜桿回填土的坡頂發(fā)生2.07 mm的沉降，對應(yīng)位置橋體豎向位移值為0.66 mm，該位置土體與結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)了0.45 mm的脫空，邊斜桿頂部與土體接觸部位則產(chǎn)生1.41 mm脫空。在擴大基礎(chǔ)的底部，地基土發(fā)生2.498 mm的沉降變形，且底部沉降不均，導(dǎo)致基礎(chǔ)存在發(fā)生順時針轉(zhuǎn)動的趨勢。使得地基土受到不均勻的壓力，還給回填土施加了一個坡腳處的推力，導(dǎo)致回填土體更易發(fā)生滑坡、松動，進而加劇了土體與結(jié)構(gòu)脫空。

表1 土體特征參數(shù)

圖6 載荷下土體效應(yīng)

2 無橋臺斜腿剛架橋土與結(jié)構(gòu)相互作用特點

無橋臺斜腿剛架橋土與結(jié)構(gòu)的高度耦合作用，也導(dǎo)致臺后回填土沉降嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)效應(yīng)。

該橋型土-結(jié)構(gòu)的接觸及變形如圖7，具體特點如下：

圖7 無橋臺斜腿剛架橋土-結(jié)構(gòu)接觸及變形示意

(1)由于邊斜腿與中斜腿在基礎(chǔ)頂面收攏，形成倒三角形的V型剛架,V型剛架的剛度最小點位于倒三角形的最低點，即上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)頂面的過渡處，這種構(gòu)造特點使結(jié)構(gòu)在荷載作用下，該部位成為V型剛架形變的相對轉(zhuǎn)動點(圖7中的O點)，相比將邊、中斜腿豎直布置的結(jié)構(gòu)，V型剛架的抗推剛度顯然降低了，此外水平力作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動也不可忽視(圖7b)；

(2)V型剛架的剛度是從橋面往下逐漸減小，若路堤填土與邊斜腿的接觸面狀態(tài)在相互作用過程中發(fā)生改變，導(dǎo)致填土不能有效為上部結(jié)構(gòu)提供約束，則荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形將可能增大；

(3)由于V型剛架與土的接觸面是斜置的，即使僅在豎向荷載作用下，邊斜腿除了產(chǎn)生豎向位移Δy外，還產(chǎn)生水平位移Δx(圖7b)，相應(yīng)的接觸面剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力總是伴隨出現(xiàn)，而且相互影響；水平力單獨作用下也如此。因此，無橋臺斜腿剛架橋邊斜腿與土接觸面的雙向位移和應(yīng)力存在相互耦合的特點；

(4)為了滿足一定的邊中跨比(圖1中的L1∶L2)和基礎(chǔ)布置考慮，邊斜腿需要較長的構(gòu)件長度和高度方可滿足要求，而長度和高度的增加反而降低了構(gòu)件剛度，土壓力作用下邊斜腿自身變形較明顯；

(5)路堤填土由于固結(jié)和蠕變等因素產(chǎn)生沉降，導(dǎo)致土與結(jié)構(gòu)接觸面狀態(tài)發(fā)生變化，而由于邊斜腿斜置的特點導(dǎo)致接觸面脫空范圍比豎直布置的構(gòu)造更大。

上述特點決定了無橋臺斜腿剛架橋土與結(jié)構(gòu)相互作用更為顯著和復(fù)雜，設(shè)計希望橋后填土能對該結(jié)構(gòu)提供拱式效應(yīng)所需的有效約束，但臺后填土脫空削弱了這種作用。

3 防治措施

由于無橋臺斜腿剛架橋土與結(jié)構(gòu)相互作用的特殊性，臺后填土的沉降不僅影響行車條件和路堤穩(wěn)定，還降低了結(jié)構(gòu)剛度，增加了結(jié)構(gòu)載荷效應(yīng)，而常規(guī)的邊坡治理辦法無法根治該類結(jié)構(gòu)臺后填土沉降和降低對橋梁的影響，亟待尋求有效的治理措施。

(1)不同土質(zhì)的影響

不同的土質(zhì)，其與結(jié)構(gòu)邊斜桿底部的摩擦系數(shù)不同，一般情況下，土的內(nèi)摩擦角越大，則該摩擦系數(shù)也越高。界面上不同摩擦系數(shù)的分析結(jié)果如圖8所示，由圖可見，對于不同摩擦系數(shù)(對應(yīng)不同的土內(nèi)摩擦角)，其沉降效果顯著不同，摩擦系數(shù)越大，邊斜桿頂部回填土的脫空距離(豎向和水平向)均逐漸降低。因此，臺后回填土應(yīng)采用內(nèi)摩擦角相對較大的砂性土，一方面增加土體內(nèi)部的咬合力，提高抗滑動能力，同時有利于排水。

圖8 脫空與接觸面摩擦系數(shù)關(guān)系

(2)回填土底部設(shè)置擋板

進行臺后回填之前，在預(yù)填土底部先設(shè)置一個剛度較大的擋板(圖9a)，其目的是增大填土應(yīng)力擴散面積，改變回填邊坡滑動點位置和破裂角，進而改善臺后回填土的沉降和穩(wěn)定性。有限元分析表明，上文工程案例設(shè)置擋板后，脫空距離由3.5 mm降低到1.9 mm?？梢?，底部設(shè)置擋板可以較大程度改善回填土沉降。

圖9 臺后填土處理方式

(3)鋸齒狀邊坡設(shè)置

在澆筑邊斜桿之前，事先將回填土分層填筑好，并在迎橋坡面形成鋸齒狀邊坡(圖9b)。這樣實施有利于臺后路堤的形成，確保回填土密實度滿足要求，同時鋸齒狀的邊坡提高了邊坡抗滑動能力，也改善了路堤變形。

4 結(jié) 論

基于無橋臺斜腿剛架橋工程的共性病害，論文從回填土沉降、該橋型土與結(jié)構(gòu)相互作用特點及有效防治措施等方面開展研究，得出以下結(jié)論：

(1)臺后回填土的沉降由瞬時沉降、主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降三部分構(gòu)成，三種沉降交錯進行，其中主固結(jié)沉降占有較大比例；

(2)由于結(jié)構(gòu)特點，斜腿基礎(chǔ)在回填土坡腳處施加一被動推力，導(dǎo)致回填土體更易發(fā)生滑坡、松動，進而加劇了土體與結(jié)構(gòu)脫空；

(3)路堤填土沉降導(dǎo)致土與結(jié)構(gòu)接觸面狀態(tài)發(fā)生變化，而由于邊斜腿斜置的特點導(dǎo)致接觸面脫空的范圍比豎直布置的構(gòu)造更大，且脫空后結(jié)構(gòu)抗推剛度下降。此外，數(shù)值分析表明，基礎(chǔ)底部和坡腳區(qū)域存在高應(yīng)力“潛伏區(qū)”；

(4)增大回填土內(nèi)摩擦角、填土底部設(shè)置擋板和采用鋸齒狀邊坡均有利于邊坡穩(wěn)定，降低臺后填土沉降。