超高填土桥台桩基受力平衡设计方法

超高填土桥台桩基受力平衡设计方法

王 超

 (陕西轨道交通集团有限公司，西安，710000)

摘要 基于某路口采用的超高填土桥台的设计方案，提出桩基受力平衡的设计方法，使桥台前面和桥台后面的桩基受力较为平衡，同时控制桥台下面桩基的位移，设计方案简单实用，为类似案例提供借鉴意义。

关键词  超高桥台；平衡弯矩；M法

中图分类号：U441.21    文献标识码：B

1 引言和工程概况

桥梁工程中一般控制桥台的填土厚度不超过4m，此填土高度对于桥梁结构较为经济，并能可以控制台后的填土沉降。

但在某些特定案例下，为控制项目投资，需要尽量减少桥梁长度，由此产生了高填土的桥台设计方案。西安某工程，为控制工程总投资，采用了跨径24m的简支小箱梁，跨越横向道路。为保证桥下净空，承台顶到桥面的填土高度达到了约10m。

其总体布置如下所示：

图 半立面半剖面图

图 横断面图

常规的桥梁设计方案，要么是控制桥台台后的填土高度，要么是台前设置覆土，使得台前台后的填土土压力互相平衡。 而本工程案例，均不具备上述条件，只能通过桥台和下部基础硬抗台后填土产生的压力，同时需要考虑车辆行驶在台前、台后的各种工况。

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015），桥台后面的土产生的土压力属于永久荷载，通用规范的4.2.3条详细规定了各种情况下的土压力计算方法。由计算公示可以看出，随着台后填土高度的增大，桥台台身和下部桩基基础承受的土压力将极速变大。因此如何对桥台基础进行合理的设计，是此类桥梁方案设计的关键点。需要说明的是，桥台计算属于局部荷载计算，因此采用的汽车荷载为车辆荷载。

基于本工程案例，本文提出了一种控制台前台后桩基受力平衡的设计方法，达到了合理的设计结果，希望为后续类似的设计案例提供有益的借鉴和参考。

2桥台设计和计算模式

为保证桥台台身的刚度，桥台采用肋板式直臂桥台，肋板间距4.5m，宽度0.9m；桥台台身宽度1.2m；承台下面设置直径为1500mm的桩基，为加大桩基的抵抗力，同时减少桩基数量，桩基采用梅花形布置，桥台前方设置6根桩基，桥台后方设置4根桩基；为尽量减少桩基顶的填土高度，承台厚度取用2m。

桥台尺寸和计算图示

因在土压力以及汽车荷载的各种荷载组合下，超高填土桥台台后和台前的桩基容易受力不平衡，台后桩基受到的压力较小，甚至出现拉力；台前桩基压力则容易过大，同时容易产生较大的桩基位移。

因此超高填土桥台的设计关键点在于，既要控制台前和台后的桩基竖向受力较为平衡，又要控制桥台下面桩基的水平位移。为设计受力合理的基础方案，需要系统的考虑桩基的间距、布置、承台的高度以及平面尺寸，但最关键的控制因素是如何合理的确定承台中心和台台身的相对位置。

为此，本工程引入了未知系数：承台中心和桥台台身重心之间的距离x。设计前根据经验拟定了承台基本尺寸和桩基的布置，因此合理的确定参数x后，即可确定桥台的尺寸设计。

为计算未知参数x，需要计算各个工况下桩基顶端也即承台底面所承受的荷载：水平向荷载V，轴向荷载N，弯矩M。桥台承受的荷载工况主要可以分为如下几种：

荷载工况一：桥梁上和桥台后均有车辆荷载；

荷载工况二：桥梁上没有车辆荷载，桥台后有车辆荷载；

荷载工况三：桥梁上有车辆荷载，桥台后没有车辆荷载；

荷载工况四：桥梁上和桥台后均没有车辆荷载。

上述各种工况，对于桩基承受的水平向荷载V，轴向荷载N量级上相差不大，但弯矩M的量级则相差较大，且其直接影响桩基的受力，基于此，本工程提出了桩基受力平衡的设计方法，具体体现在如何求上述未知参数x，使得弯矩让台前和台后的桩基受力达到平衡。

由上所述，桥台的受力工况组合较多，要满足所有工况下，桩基顶所承受的弯矩值达到绝对的理想状态，在工程上是不可能实现的。通过定性分析可知，在工况二的情况下，桩基承受的水平向荷载V较大，产生的弯矩M也最为不利，是所有工况中桥台受力最为不利的一种，因此先控制此种工况下，桩基的弯矩达到平衡，再验算其他工况下桩基受力是否也在合理的范围内。

3 计算分析

定性分析可知图示的桥台布置下，未知参数x应取为正值，此时承台上的填土产生了正向弯矩，可抵抗台后有车产生的弯矩、台身自身重量产生的弯矩、上部梁传递到桩基顶产生的弯矩，是较为有利的布置方式。

假设承台上填土产生的弯矩为正向弯矩（往桥台后方），则台后车辆、台身自重、上部荷载产生的弯矩为负向弯矩（往桥台前方），数值分别如下（单位均为kN`m）：

一、桩基顶所承受的正向弯矩（往桥台后方）：主要由承台上填土产生，初始弯矩数值为M1=+32680。

二、桩基顶所承受的负向弯矩（往桥台前方），主要由以下几个部分：

（1）台后有车辆荷载的工况，由车辆和土共同产生的弯矩：M2=-27878x；

（2）上部梁荷载产生的桩基承台所承受的荷载：M3=-3380（x-0.29）；

（3）桥台台身自重产生的弯矩荷载：M4=-6930（x-0.2）。

使此弯矩平衡，也即合力为零，则可以得到x=0.918，最终取值x=0.9m。

4 结果验证

按照x取0.9，进一步验算各个工况下桩基顶的受力，取值正负规则为：轴向荷载向下为正，水平向荷载向台后方向为正，弯矩往台后方向为正，结果如下表所示：

桩基顶受力

由上述计算结果可知，桩基承受的弯矩数值均较小，且远小于轴向荷载的量级，使得前后排的桩基受力较为平衡，达到了设计初衷。

基于上述荷载情况，同时根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019），按照M法计算桩基所产生的水平向位移和竖向荷载，结果如下表所示。

桩基轴向荷载和位移数值

根据上述计算结果，台前和台后桩基所承受的轴向荷载较为均匀，并且桩基在水平向荷载下产生的位移也较小，达到了设计预期。

5 结论

本文基于某超高填土桥台的工程案例，提出了一种桩基受力平衡的设计方法，在工程中简单易操作。其主要的设计思想是巧妙的通过承台上承受的土荷载产生的有利弯矩，抵抗桥台承受的填土弯矩、车辆弯矩等不利荷载，既符合工程实际，又易于设计。最终的设计效果是使桥台台前和台后桩基所承受的荷载较为平衡，并尽量消除弯矩的影响。

当然，对于未知系数的取值，并不存在最优解，其在一定的范围内都可以满足工程上的需要，而其最终取值主要依据设计者的主观判定。

[1] 徐凯耀.  连云港海滨大道超高填土桥台分析与设计[J]. 科技创新与应用. 2016 (34)

[2] 郭泽华,李国芬,华炜,张高勤.  公路高填土桥台桩基负摩阻力计算初探[J]. 湖南交通科技. 2007 (04)